جامعه چیزهای زیادی برای تشکر از علم نانو دارد. از بهبود نظارت بر سلامت گرفته تا کوچک شدن الکترونیک، توانایی دانشمندان برای کاوش عمیق تر و درک بهتر شیمی در مقیاس نانو، مزایای بیشماری را آشکار کرده است. امروزه، فناوری‌های مختلف نانو به حرکت از آزمایشگاه به بازار ادامه می‌دهند و انتظار می‌رود بخش چند میلیارد پوندی در دهه‌های آینده ایجاد شود.
مقاله چاپ شده در مجله حروف نانو اوایل سال جاری نشان داد که 25 سال آینده علم نانو چگونه خواهد بود. از جمله مهم‌ترین مسائلی که جامعه باید در سال‌های آینده با آن دست و پنجه نرم کند، مسائل زیست‌محیطی، بهداشتی و فناوری بدون شک تأثیر زیادی بر علم نانو خواهد داشت و این حوزه را به جلو میبرد.
بهبود سلامت و محیط زیست
کاتسوهیکو آریگا از دانشگاه توکیو ژاپن توضیح می دهد که نانوذرات بسیاری از تحقیقات نانوتکنولوژی را در اوایل و در سال های اخیر برای وسایل نقلیه دارورسانی به خود اختصاص داده اند. او می گوید بدن ما می تواند مولکول هایی مانند انتقال دهنده های عصبی را در پاسخ به یک سیگنال آزاد کند و علم نانو باید آن را کپی کند. رهاسازی هوشمند دارو – با مهندسی نانوساختارهای کنترل شده – هدف آینده است. چنین سیستم‌هایی ممکن است شامل نانوربات‌ها و سایر مواد فعالی باشند که به محرک‌هایی مانند گرادیان‌های شیمیایی، میدان‌های مغناطیسی یا امواج صوتی پاسخ می‌دهند و می‌توانند بین انواع سلول‌های مختلف برای دارورسانی هدفمند تمایز قائل شوند.
‘[However]تری اودوم از دانشگاه نورث وسترن در ایالات متحده می‌گوید: «هنوز چالش‌های مهمی برای نانوپزشکی، به‌ویژه مربوط به درمان وجود دارد.» حروف نانو مقاله برای مثال، هنوز هیچ نانوساختار هدف‌گیری فعالی وجود ندارد [US Food and Drug Administration] تایید شده است.’
علاوه بر نانوپزشکی، فناوری نانو می‌تواند با بهبود حسگرها و لوازم الکترونیکی پوشیدنی، مانند آنچه که در حال حاضر در بسیاری از ساعت‌های هوشمند یافت می‌شود، به نظارت بر سلامت نیز کمک کند. ایجاد موادی که خواص الکترونیکی و مکانیکی آنها را متعادل کند، چالشی برای این رشته است. اما غلبه بر این مشکل می‌تواند به موادی با قابلیت‌های حسی پیشرفته و ادغام بهتر در بدن ما منجر شود.
“یک چیز [other] حوزه‌ای که فکر می‌کنم اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند تأثیر فناوری نانو بر محیط‌زیست است.» اودوم می‌افزاید: «در سال‌های اخیر، بحث‌های خوبی در مورد خطرات علم نانو صورت گرفته است، اما کمتر در مورد اینکه چگونه علم نانو می‌تواند برای محیط‌زیست مفید باشد، صحبت شده است.
به عنوان مثال، غشاهایی با نانو کانال هایی به اندازه آنگستروم می توانند به نمک زدایی آب دریا یا بازیابی فلزات گرانبها از زباله های صنعتی کمک کنند. کاتالیزورهای نانومقیاس همچنین می توانند به تبدیل آلاینده ها به محصولات قابل استفاده کمک کنند و به ایجاد یک زنجیره مصنوعی دایره ای از مواد شیمیایی کالاهای مختلف کمک کنند. با این حال، تولید چنین غشاها و کاتالیزورهایی در مقیاس صنعتی چالش برانگیز است، زیرا دقت در سطح اتمی در ساختارهای مقیاس کلان مورد نیاز است.
فناوری نسل بعدی
آندره‌آ فراری، مدیر مرکز گرافن کمبریج در بریتانیا، تأکید می‌کند که هوش مصنوعی (AI) در دهه‌های آینده هم در فناوری نانو مهم و تأثیرگذار خواهد بود. او توضیح می‌دهد که توسعه یک نانومواد جدید می‌تواند زمان زیادی طول بکشد، اما با کمک هوش مصنوعی و سایر روش‌های محاسباتی، می‌توان مواد جدید و غیرمنتظره را بسیار سریع‌تر کشف کرد.
او می‌گوید: «مراکز داده‌های هوش مصنوعی نیز به مقدار زیادی انرژی نیاز دارند، بنابراین ما نیز برای پاسخگویی به خواسته‌های چنین مراکزی به مواد جدید نیاز داریم. استراتژی های افزایش تولید انرژی احتمالا منجر به پیشرفت در سلول های فتوولتائیک پروسکایت و سوخت های تجاری قابل دوام تولید شده با استفاده از انرژی خورشیدی می شود.
نانومواد هستند [also] داگلاس ناتلسون، دانشمند نانویی در دانشگاه رایس در ایالات متحده، می‌گوید: نانومواد جدید برای الکترودهای باتری و ابرخازن‌ها به سطوح رابط بالاتری منجر می‌شوند که ذخیره‌سازی انرژی بهتری را امکان‌پذیر می‌سازد که برای حمایت از انتقال به منابع انرژی تجدیدپذیر متناوب مانند باد و خورشید لازم است.
کوانتومی می شود
نسل بعدی رایانه‌ها احتمالاً توسط فناوری کوانتومی هدایت می‌شوند که می‌تواند دسته‌های خاصی از مسائل را حل کند که با رایانه‌های معمولی زمان زیادی میبرد. شیمیدانان به این نوع کامپیوترها علاقه مند هستند زیرا آنها خود را به خوبی برای مدل سازی شیمیایی وام می دهند و علاقه ای به استفاده از آنها برای حل مسائلی مانند تثبیت نیتروژن توسط آنزیم نیتروژناز وجود دارد. آرایه‌های حدود 1000 بیت کوانتومی – کیوبیت – که در دماهای بسیار پایین کار می‌کنند، مرزهای فعلی محاسبات کوانتومی هستند. کاهش اندازه و میزان خطای کیوبیت ها و یافتن راهی برای ادغام آنها در فناوری موجود، مستلزم پیشرفت هایی در تمام زمینه های علم نانو است.
آریگا معتقد است که تلاش‌ها برای ایجاد موادی که پدیده‌های کوانتومی را در سطح ماکروسکوپی نشان می‌دهند باید با استفاده از ویژگی‌های کوانتومی نقاط کوانتومی صفر و نانوسیم‌های کربنی یک‌بعدی افزایش یابد.
اتصال جهان نانومقیاس به ماکروسکوپی نیز با ساخت لایه‌هایی از مواد دوبعدی که توسط نیروهای واندروالس در کنار هم نگه داشته شده‌اند، به صورت مکانیکی یا با استفاده از رسوب‌دهی بخار شیمیایی ممکن می‌شود. این روش ها با تغییر ترتیب لایه ها، زوایای پیچش و نوع نقص، طراحی دقیق سازه های الکترونیکی را امکان پذیر می سازند.
ناتلسون می‌گوید: «کار اساسی زیادی وجود دارد که هنوز باید انجام شود تا این مواد دوبعدی را درک کنیم و آنها را در مقیاس توسعه دهیم. پیشرفت در تکنیک‌های میکروسکوپی وضوح بهتری از موقعیت‌های اتمی زیر مقیاس زیر آنگستروم ارائه می‌دهد. آشکارسازهایی که می توانند طیف وسیعی از رویدادها را – از واکنش های شیمیایی گرفته تا اثرات کوانتومی – در مرتبه میلی ثانیه تا پیکوثانیه ثبت کنند (10-12ث) استفاده از منابع تغذیه زیر وات می تواند نظارت بر زمان واقعی آزمایش های میدانی را نیز باز کند. یادگیری ماشین و هوش مصنوعی همچنین می توانند نقش خود را در کمک به تجزیه و تحلیل داده ها و کمک به خودکارسازی خصوصیات مواد جدید ایفا کنند.
تنظیم زمینه در حال رشد
از زمان پیدایش علم نانو به عنوان یک رشته در چندین دهه پیش، سیاستگذاران استانداردهای اخلاقی و ایمنی را در کنار علم توسعه داده اند. ناتلسون می‌گوید: «توصیه‌های ایمنی که برای یک بلوک از چیزی انجام می‌دهید، متفاوت از همان ماده ۱ کیلوگرمی است که تا ذرات ۱۰ نانومتری آسیاب شده است.
با این حال، تخمین زده می‌شود که کمتر از 20 درصد از نانومواد موجود در بازار به دستورالعمل‌های بین‌المللی کنونی در مورد پروتکل‌های آزمایش قرار گرفتن در معرض و سمیت پایبند هستند و کارایی آنها را در ارزیابی اثرات بهداشتی و زیست‌محیطی مواد محدود می‌کنند.
نانومواد می توانند از نظر اندازه، شکل و شیمی سطح متفاوت باشند. این تنوع، استانداردسازی ارزیابی‌های ایمنی را دشوار می‌سازد، حتی زمانی که چنین موادی با یک روش مصنوعی استاندارد ساخته می‌شوند.
ناتلسون معتقد است که «یکی از اهداف واقعی این است که بتوانیم به طور مؤثر و دقیق نگرانی‌ها را ارزیابی کنیم-شما نمی‌خواهید 30 سال طول بکشد تا بفهمید چه تأثیری دارد. [of a nanomaterial] هستند’. توسعه سنجش‌های سمیت ساختاری استاندارد و با کارایی بالا با زمان‌های چرخش کوتاه‌تر، نسبت نانوموادی را که به طور موثر آزمایش می‌شوند، افزایش می‌دهد.
ناتلسون می‌گوید: «هیچ کمبودی در چالش‌های فنی که ما در جهان با آن روبرو هستیم وجود ندارد و فناوری نانو همه آنها را حل نمی‌کند… اما من فکر می‌کنم جنبه‌های خاصی وجود دارد که علم نانو قطعاً مهم خواهد بود».
بسیاری از نتایج مهم که به نفع سلامت انسان و جامعه است – از جمله واکسن‌های mRNA، نمایشگر نقاط کوانتومی و مواد الکترود باتری پیشرفته – [are due to nanoscience]اودوم می‌گوید. او معتقد است که شیمیدان‌ها به نقش مهمی در پیشبرد اکتشافات ادامه خواهند داد، اما اذعان می‌کند که “برای مهم‌ترین پیشرفت‌ها، بسیاری از رشته‌ها به همکاری نزدیک با هم نیاز دارند.”
