کدام نانومواد در ده سال گذشته بیشتر مورد توجه محققان قرار گرفته‌اند

مطابق بررسی انجام شده توسط استت نانو، در ده سال گذشته نانوذرات و نانولوله‌ها بیشترین تعداد مقالات ISI را به خود اختصاص داده‌اند؛ در حالیکه گرافن به عنوان یک موضوع داغ بیشترین توجه محققان علوم و فناوری نانو را به خود جلب کرده است.

پس از ظهور فناوری ‌نانو، واژه نانومواد وارد ادبیات علمی در جهان شد. بعد از اختراع میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) در سال ۱۹۸۱ و کشف فولرین در سال ۱۹۸۵ مفهوم نانومواد در دنیای علم و فناوری شکل گرفت. مطابق تعریف سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO/TS 80004) نانومواد به دو دسته کلی نانوشیء و مواد نانوساختار تقسیم می‌شوند. نانوشئ ماده‌ای است که حداقل یکی ازابعاد آن در مقیاس نانو باشد. مطابق این تعریف نانواشیا را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد. نانواشیاء سه بعدی، یعنی موادی که در هر سه بعد نانومقیاس هستند. این دسته شمار بسیاری از نانومواد را در برمی‌گیرد. مهمترین نمونه‌های این مواد فولرین‌، نقاط کوانتومی، درخت‌ سان‌ها، نانوذرات و نانوپودرها هستند. نانواشیاء دو بعدی، موادی هستند که دو بعد آنها در مقیاس نانو هست. از مهترین نمونه‌های این دسته می‌توان به نانولوله‌ کربنی، نانوسیم‌ها و نانوالیاف اشاره کرد. نانواشیاء تک بعدی، موادی هستند که تنها در یک بعد نانو هستند و دو بعد دیگر آنها بزرگ‌تر از مقیاس نانو است. نانوپوشش‌ها، گرافن، تک‌لایه‌های خودآرا و فیلم‌های لانگمیر-بلاجت مثال‌هایی از این دسته هستند. نانوموادی هم وجود دارند که در هیچ یک از این سه دسته قرار نمی‌گیرند. به عنوان مثال نانوکامپوزیت‌ها را جزء کدام دسته نانواشیاء می‌توان دانست؟ به همین دلیل در همین استاندارد دسته دیگری از نانومواد به عنوان مواد نانوساختار تعریف شدند که گرچه هیچ بعد آنها در حالت معمول در مقیاس نانو نیست ولی یکی ازمواد تشکیل‌دهنده ساختار آنها نانوشئ است یا از لحاظ میکروسکوپی و مورفولوژی ساختار نانومقیاس دارند. مواد نانوبلوری و پوشش‌های نانوساختار مثال‌های دیگری از این مواد هستند. از آنجایی که نوع نانومواد مورد استفاده در محصولات تعیین کننده خواص و ویژگی‌های محصول نهایی است، بنابراین لازم است که نقش و اهمیت هریک از نانومواد در توسعه علم و فناوری‌ نانو مورد ارزیابی قرار گیرد. از این رو در این گزارش تلاش شده تا با استناد به تعداد مقالات منتشر شده حاوی هر یک از این نانومواد، روند تغییرات استفاده از این نانومواد طی سال‌های گذشته مورد مطالعه قرار گیرد.

روش‌کار:از آنجایی که نانومواد واحد‌های سازنده فناوری ‌نانو بوده و بسیاری از اعجاز این فناوری‌ وابسته به نوع نانومواد استفاده شده در آن است، مطالعه روند و تغییرات این نانومواد در حوزه علم و فناوری ضروری است. برای مطالعه این روش از عبارت کلیدی مناسب برای جستجوی نانوساختارها در مقالات منتشر شده در پایگاه داده ISI استفاده شد.

روند تغییرات نانومواد:شکل۱ تعداد مقالات منتشر شده حاوی نانومواد مختلف را از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۳ نشان می‌دهد. نانوذرات با اختلاف فاحشی رتبه اول را در میان نانوساختارها به خود اختصاص داده است. بعد از آن نانولوله، نانوبلور، نانوسیم و نانوکامپوزیت در رتبه‌های بعدی قرار دارند. نانوذرات بالاترین کاربرد در میان نانومواد را داشته اند، از آنجایی که با کاهش ابعاد هر ماده‌ای می‌توان نانوذرات آن ماده را تولید کرد بنابراین طبیعی است که نانوذرات فراوان‌ترین نانوماده در میان مقالات باشند. از سوی دیگر برخی روش‌های سنتز نانوذرات نظیر خردایش مواد توده‌ای، آسیاب کردن و احیاء شیمیایی بسیار ساده بود که این کار تهیه نانوذرات را تسهیل می‌کند. بنابراین برای بسیاری از محققان استفاده از نانوذرات ساده‌ترین و اولین قدم برای گام‌ نهادن در فناوری‌نانو است. لازم به ذکر است نانوذرات واژه جامعی است که گاهی به نانومواد مختلف نظیر نانوبلور، نانومیله یا نانوکره نیز اطلاق می‌شود. این کار ممکن است موجب افزایش قابل توجه واژه نانوذرات در مقالات شود.

از نظر قدمت در کشف و کاربرد نانومواد، نانولوله‌ها و به طور ویژه نانولوله‌های کربنی بعد از نانوذرات در رده دوم قرار می‌گیرند، بنابراین طی یک دهه گذشته نانولوله‌ها فرصت زیادی برای وارد شدن به پروژه‌های تحقیقاتی را در سراسر جهان داشته‌اند. از سوی دیگر ویژگی‌های بازر نانولوله‌های کربنی در حوزه‌هایی نظیر الکترونیک، ساخت حسگر و تقویت کامپوزیت‌ها موجب شده تا سیل عظیم تحقیقات به سوی این نانوماده روانه شود.

شکل۲ روند مقالات مرتبط با چند نانوماده پرکاربرد را در سالهای ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۳ نشان می‌دهد. همانند شکل ۱، نانوذرات با فاصله‌ای قابل توجه از نانومواد دیگر پیش هستند. تعداد مقالات مربوط به آن نیز طی دو سال گذشته با شیب زیادی افزایش یافته است. این روند نشان دهنده این واقعیت است که هر چند برخی روش‌های تولید نانوذرات ساده بوده و این نانومواد فراوانی بیشتری در میان دیگر نانومواد دارند، اما اثر بخشی نانوذرات در علوم مختلف نیز طی چند سال گذشته اثبات شده که این خود عاملی برای جذاب بودن نانوذرات برای محققان است. الگوی افزایشی در میان نانومواد دیگر در این نمودار تقریبا مشابه است. اما گرافن الگویی متفاوت دارد. این ماده در سال ۲۰۰۴ پا به عرصه علم و فناوری نانو گذاشت و کاشفان آن در سال ۲۰۱۰ جایزه نوبل فیزیک را برای کشف گرافن دریافت کردند. طی چند سال اخیر ویژگی‌های منحصر به فرد گرافن توسط محققان مختلفی در سراسر جهان کشف و به جامعه علمی معرفی شد که برخی از این ویژگی‌ها می‌توانند چالش‌های دیرین در صنعت را مرتفع کنند. به همین دلیل خیل عظیمی از تحقیقات به سوی این ماده گسیل شده است به طوری که روند رشد آن نسبت به نانومواد دیگر ( به جز نانوذرات) بیشتر شده است.

شکل ۳ شاخص h-Index مقالات حاوی نانومواد مختلف را بر حسب تعداد این مقالات بین سال‌های ۲۰۰۳ تا ۲۰۱۴ نشان می‌دهد. h-Index شاخصی است که می‌کوشد بهره‌وری و تاثیرگذاری علمی مقالات یک موضوع یا فرد یا نهاد را به صورت کمی نمایش دهد. این شاخص با در نظر گرفتن تعداد مقالات پراستناد افراد و تعداد دفعات استناد شدن آن مقالات توسط دیگران محاسبه می‌شود. همان‌طور که ملاحظه می‌شود نانوذرات هم از نظر تعداد مقالات و هم از نظر h-Index جزو یک یا دو نانوماده برتر هستند.

جایگاه گرافن در این نمودار نیز جالب توجه است. این نانوماده، بالاترین h-Index را در میان نانومواد بدست آورده است. کسب رتبه اول دراین شاخص از سوی گرافن نشان دهنده تاثیرگذاری علمی این نانوماده در چند سال گذشته بوده و حکایت از اهمیت بالای این ماده در توسعه فناوری‌نانو دارد. با توجه به روند صعودی تعداد مقالات مرتبط با گرافن و همچنین مقدار بالای h-Index آن، هم‌اکنون جزو داغ‌ترین نانومواد در کنار نانوذرات و نانولوله‌ها به حساب می‌آید. بعد از نانوذرات و گرافن، نانولوله‌ها و نانوبلورها بالاترین h-Index را دارند و نانوکپسول‌ها و ذرات کلوئیدی نیز کمترین مقالات پرارجاع را دارا هستند.

سهم کشورها از مقالات منتشر شدهیکی از سوالات مطرح شده در این حوزه این است که هر کشور روی چه نانوموادی تمرکز بیشتری دارد. چین و آمریکا بالاترین تعداد مقالات را حوزه فناوری‌ نانو منتشر کرده‌‌اند. بنابراین پر واضح است در هر نانوماده این دو کشور رتبه اول یا دوم را داشته باشند. در این میان، آمریکا بیشترین تعداد مقالات را در بخش نقاط کوانتومی، چاه کوانتومی، ذرات کلوئیدی، تک‌لایه‌های خودآرا، نانوپوشش‌ها، فولرین، کامپیوترهای کوانتومی و درخت‌سان‌ها دارد. چین بیشترین مقالات مربوط به گرافن، نانوکپسول، نانوکره، نانوالیاف، نانومیله‌، نانوسیم، ابرمولکول‌ها، نانوکامپوزیت، مواد نانوحفره‌ای، نانولوله‌، نانوبلور و نانوذرات را منتشر کرده است.

در مورد نانوذرات، بعد از چین و آمریکا کشور هند و ژاپن بالاترین مقالات را منتشر کرده‌اند، در بخش نانولوله ژاپن و کره‌جنوبی، در بخش نانو بلور هند و ژاپن و در مورد نانوکامپوزیت هند و کره جنوبی رتبه‌های دوم و سوم را به خود اختصاص داده‌اند. بهترین رتبه ایران در میان نانومواد مربوط به نانوکامپوزیت‌ها بوده و پایین رتبه را در چاه‌های کوانتومی بدست آورده است.

در نتیجه می‌توان گفت در میان نانومواد رایج در فناوری‌نانو، بیشترین مقالات منتشر شده به نانوذرات مربوط است که این نشان از کربرد بالای این نانوماده در فناوری‌نانو دارد. بعد از نانوذرات، نانولوله‌ها و نانوبلورها قرار دارند. در این میان نانوماده نوظهوری به نام گرافن وجود دارد که تعداد مقالات مربوط به آن در حال رشد است. h-Index مقالات گرافن بالاترین رقم در میان دیگر نانومواداست که نشان از اهمیت و پتانسیل بالای این نانوساختار دارد. با این نتایج انتظار می‌رود طی سال‌های آینده احتمال وارد شدن گرافن به محصولات فناوری‌نانو بیشتر از دیگر نانوساختارها باشد.