او در سخنرانی تاریخی خود با عنوان “در آن پایین اتاقها (فضاهای) بسیاری وجود دارد” چشم انداز جالبی را از ساخت و ساز در مقیاس اتمی و مولكولی را متصور ساخت. او عقیده داشت در مقیاسهای بسیار كوچك خواص مواد با خواص فعلی اشان فرق می كند و لذا با كنترل ماده در مقیاس اتمی و مولكولی می توان به خواصی از مواد دست یافت كه اكنون از آنها استفاده نمی كنیم.

در سال 1974، Taniguchi ایده های فینمن را نانوتكنولوژی نامید. او بین مهندسی در اندازه میكرومتر مانند میكروالكترونیك كه در آنها روزها دوران اوجش را می‌گذارند و مهندسی در مقیاس زیر میكرومتر تفاوت قائل شد.

از آن زمان تا كنون تلاش برای كشف خواص جدیدی از مواد در در مقایس نانومتر با سرعت روبه پیشرفت است. دو تا از دستاوردهای بزرگ آن میكروسكوپهای SPM (Scanning Probe Microscope) و كشف آلوتروپی جدیدی از كربن به نامBuckminister Fullerenene یا Buckyball هستند. اختراع میكروسكوپهای SPM كه دو تا از معروفترین آنها STM و AFMهستند كار مطالعه و بررسی ساختارهای بسیار ریز و در حد نانومتر را تسهیل كردند و كشف باكی بال ها باعث ایجاد ساختارهای تیوب- مانند شد كه در آنها ورقه های گرافیت به شكل لوله در می آیند و دو سر آنها با دو نیم فولرن بسته می شود. ضخامت این لوله ها فقط چند میلیونیم متر یا چند نانومتر و طول آنها به حدود 100 میكرومتر می رسد. این نانولوله ها از فولاد محكمتر اما سبك وزن اند، خم شدنهای پی در پی، تابیدن و پیچیدن را تحمل می كنند، می توانند به اندازه مس رسانای الكتریسیته و یا مانند سیلیسیم خاصیت نیم رسانایی از خود نشان بدهند. بهتر از هر ماده شناخته شده دیگری گرما را منتقل می كنند و خاصیت جذب هیدروژن را نیز دارا می باشند.

علم و تكنولوژی نانو در واقع یك نگاه و یك رویكرد جدید در علوم و مهندسی با كنترل ماده از مقیاس اتم و مولكول و یا از مقیاس نانومتر می باشد و لذا در تمامی حوزه های علم و تكنولوژی و صنایع مختلف تحول و تغییر ایجاد خواهد كرد.

سیر پیشرفت مواد با ساختار بسیار ظریف یا نانو ساختار :

در زمینه علم مواد می توان دو مرحله را به عنوان مراحل توسعه و پیشرفت مواد با ساختار Ultrafine یا همان مواد با ساختار نانومتر مشخص كرد.

اولین مرحله را می توان از سال 1870 تا سال 1970 دانست. در این مرحله میكرو ساختار به عنوان پارامتر اصلی كنترل كننده خواص مكانیكی، مغناطیسی و الكتریكی معرفی شد. سرآغاز آن كارهای Sorby روی خواص مكانیكی آهن بود كه نشان داده سختی مارتنزیت بخاطر تغییرات آلوتروپیك در آلیاژهای آهن و میكروساختار بسیار ظریف باقی مانده است. پدیده رسوب سختی نیز ارتباط بین میكروساختار و خواص را پیشنهاد نمود. Wilm در سال 1906 آلیاژ Ag-Co-Mg-Mn را كوئینچ نمود و بعد از چند هفته مشاهده نمود كه سختی آن بیشتر شده است. بعدها متوجه شدند كه این افزایش سختی ناشی از رسوب یك فاز جدید در مقیاس زیر میكرومتر است. در سال های بعد نظریه های عیوب شبكه ایی و مشخصه های آن روی جامدات كریستالی و اختراع میكروسكوپهای با قدرت تفكیك پذیری بالا باعث پیشرفت بسیار زیادی در درك خواص وابسته به ساختار و میكرو ساختار شد.

و دومین مرحله را نیز می توان بعد از سال 1970 دانست. در این زمان Gleiter، Turnball و دیگران با روشهای گوناگون مواد با ساختار بسیار ریز (Ultrafine) یا نانومتری تولید می كردند و سپس خواص آنها را بررسی می نمودند. به عنوان مثال Gleiter و همكارانش توسط روش Inert Gas Condensation پودرهای نانومتری فلزی تولید می كردند و سپس تحت محیط با خلاء بسیار بالا آنها را به صورت دیسكهای كوچكی متراكم می نمودند و آنها را آنالیز می كردند. مطالعات آنها نشان داد كه با تغییر آرایش مواد و دستكاری در میكروساختار مواد می توان جامداتی با ساختار اتمی/ الكترونی جدید ساخت. این پیشرفتها ایده های فینمن در مورد نانوتكنولوژی را به حقیقت بیشتر نزدیك كرد.

معرفی مواد نانوساختار (Introduction to Nanostructured Materials):

مواد نانو ساختار جامداتی هستند كه اجزای ساختار آنها حداقل در یك بعد در حد نانومتر باشد. در واقع فقط نانوساختار به موادی (فلز، سرامیك، پلیمر، كامپوزیت، نیمه هادی، شیشه) گفته می شود كه شامل دانه ها یا كلاسترها یا لایه ها و یا فیلامنت هایی كمتر از 100 نانومتر باشند و در واقع می توان آنها را به چهار گروه زیر تقسیم بندی نمود.

تقسیم بندی (Classification):

1- صفر بعدی یا همان كلاسترهای اتمی.

2- تك بعدی یا لایه های نانوساختار كه در آنها طول و پهنا از ضخامت بیشتر است. مثل thin filmها و thin winrها.

3- ساختارهای دوبعدی كه در آنها طول از پهنا یا قطر بسیار بیشتر است. مثل فیلامنت‌ها و یا سطوح آزاد با ضخامت نانومتر مثل پوششهای نانومتری.

4- ساختارهای سه بعدی مانند كریستالهای نانو ساختار یا مواد آمورف یا quasicrystalline نانو ساختار .

بیشترین توجه متخصصین مواد به ساختارهای سه بعدی و نانوكریستالی است.

و نانو ساختارهای تك بعدی بیشتری در صنایع الكترونیك و نانو ساختارهای صفر بعدی و دو بعدی بیشتر در صنایع اپتیك كاربرد دارند.

ساختار (Structure)

نتایج مطالعات و آنالیزهای Gleiter و دیگران در ساختار مواد نانوكریستالی نشان می دهد كه در ساختار این مواد دو نوع اتم قابل تشخیص است.

اتمهای كریستالی با تركیبی از نزدیكترین همسایه های اتمی متعلق به شبكه و اتمهای مربوط به مرز با فواصل اتمی متفاوت در هر مرز. یك فلز نانوكریستال با اندازه دانه حدود 10 نانومتر حدود m^-3 25 10*6 فصل مشترك با جهت های كریستالی رندوم دارد و بنابراین تعداد زیادی از اتمها در فصل مشترك واقعند.

اگر فرض كنیم كه دانه ها به صورت كره یا مكعب هستند، آنگاه: ضخامت متوسط مرزدانه

:d قطر متوسط دانه

بنابر این درصد حجمی اتمها در مرزدانه ها می تواند تا حدود 50% برای یك ماده با اندازه دانه 5 نانومتر برسد، در حالیكه برای ماده ایی با اندازه دانه ³ 10 نانومتر 3% است.

(همچنین در سالهای اخیر متوجه شده اند كه علاوه بر مرزدانه ها، triple junctions خطوط تقاطع سه یا چند كریستال جامد) نیز در اندازه دانه های كوچك اثرات بسیاری روی میكروساختار دارد. لذا كل منطقه بین كریستالی(intercrystalline) را محاسبه می كنند.                for

ic= intercrystalline

gd= grainboundary

ti= triple junction

همانطور كه در شكل مشاهده می شود در اندازه دانه های 3-2 نانومتر این مقادیر به 80-70 هم درصد می رسند. به طور كلی مواد نانو كریستالی از دو جز ساخته شده‌‌اند.

كریستالهای كوچك با نظم اتمی با دامنه بالا و جهت های كریستالی متفاوت كه «جزء كریستالی» نامیده می شود و شبكه بین مناطق كریستالی كه ساختار آن از منطقه‌ایی به منطقه دیگر فرق می كند و «جزء فصل مشترك» نامیده می شود. چگالی مناطق فصل مشترك كمتر از 10 تا 30 درصد كمتر از چگالی مناطق كریستالی است. (با توجه به باند شیمیایی بین اتمها) علاوه بر این، بین فواصل اتمی در مرزها یك نظم با دامنه كوتاه وجود دارد و یا اصلاً وجود ندارد.