سال ۲۰۲۵، بیست و پنجمین سالگرد انتشار مجله Nano Letters است و برای جشن گرفتن این نقطه عطف، تیم تحریریه ما یک نقشه راه برای ۲۵ سال آینده تهیه کرده است. علوم نانو و فناوری نانو از زمان تأسیس اولین مجلاتی که منحصراً به مفاهیم نانومقیاس اختصاص داده شده بودند، راه درازی را پیموده اند. در این مقاله آینده‌نگر، ما ۷ موضوع در مقیاس ماکرو را که به ۱۶ حوزه موضوعی کلیدی تقسیم شده‌اند، شناسایی کرده و در مورد نقاط عطف استراتژیک، توسعه‌ای و کاربردی آنها گمانه‌زنی کرده‌ایم. ما سعی کرده‌ایم در مورد نمونه‌های برجسته، دقیق و کمّی باشیم، بدون اینکه بیش از حد تجویزی باشیم. ما همچنین تمام تلاش خود را کرده‌ایم تا پیشرفت‌های بزرگ و پرخطری را پیشنهاد دهیم که نیاز به تخصص یکپارچه در رشته‌ها، سرمایه‌گذاری‌های قابل توجه در منابع و افق‌های زمانی چند دهه‌ای برای تحقق دارند. امیدواریم که شما نیز به اندازه ما نسبت به آینده علوم نانو خوش‌بین و هیجان‌زده باشید و این نقشه راه بتواند یک راهنمای آرمانی و کاربردی برای جامعه ما باشد.

۱. نانوالکترونیک

۱.۱ نانوالکترونیک و محاسبات پیشرفته

دو رویکردی که در طراحی دستگاه‌های الکترونیکی نسل بعدی دنبال شده‌اند، بر نانوالکترونیک پساسیلیکونی و نانوالکترونیک فرا-CMOS متمرکز شده‌اند. در مورد اول، نانوالکترونیک پساسیلیکونی_post-Si از مواد کانالی^{channel materials} مانند نیمه‌رساناهای دوبعدی (2D) و نانولوله‌های کربنی (CNT) بهره می‌برد و هدف آن گسترش مقیاس CMOS به سمت گره فناوری 1 نانومتر (و پایین‌تر) ضمن حفظ سازگاری با معماری‌های دستگاه های مرسوم است. این مواد الکترواستاتیک و مقیاس‌پذیری بهبود یافته‌ای را ارائه می‌دهند که امکان پیشرفت مداوم در امتداد قانون مور^{moore’s law} را در چارچوب CMOS فراهم می‌کند. در مورد دوم، نانوالکترونیک فرا-CMOS شامل تزریق منبع سرد^{cold-source injection}، ترانزیستورهای اثر میدانی تونلی^{tunneling field effect transistors} (TFETs)، سایر مکانیسم‌های سوئیچینگ غیرترمیونی^{nonthermionic} و مواد فروالکتریک و فرومغناطیس برای منطق و حافظه‌ها است. این رویکرد با هدف غلبه بر محدودیت‌های ترمودینامیکی ترانزیستورها یا دستگاه‌های محاسباتی درون-حافظه‎ ای امروزی است که به عملکرد حدود 0.7 ولت و نوسانات زیرآستانه حدود 65-70 میلی‌ولت بر دهه محدود شده‌اند. با معرفی فیزیک دستگاه هایی از اساس نوین، فناوری‌های فرا-CMOS نوید عملکرد زیر دمایی^sub-thermal را می‌دهند که برای استقرار پایدار و در مقیاس بزرگ در سیستم‌های هوش مصنوعی (AI) و نسل بعدی اینترنت اشیا (IoT) ضروری است. کاهش شدید مصرف برق دستگاه‌های محاسباتی بسیار مطلوب است، زیرا پیش‌بینی‌های فعلی نشان می‌دهد که محدودیت‌های انرژی، مراکز داده^data-centers و استقرار هوش مصنوعی را در پنج سال آینده محدود خواهد کرد.
چالش حیاتی برای فناوری‌های دوبعدی و نانولوله‌های کربنی (CNT) در تحقق ترانزیستورهای کانالی قابل ساخت با رابط‌های واندروالس بکر^pristine، پروفایل‌های آلایش کنترل‌شده^{controlled doping profiles} و قابلیت مقیاس‌پذیری تا سطح ویفر^{wafer-level integration} نهفته است – همه اینها در حالی که پایداری حرارتی را در شرایط مرحله پسین خط ^{back end of line} (BEOL) زیر 400 درجه سانتیگراد حفظ می‌کنند. نیمه‌هادی‌های دوبعدی فعلی چگالی‌های تله سطحی نسبتاً بالایی (\(10^{12}Cm^{-2}\)) در مقایسه با Si/SiO2 ( \(10^{10}Cm^{-2}\) ) نشان می‌دهند که عملکرد زیرآستانه‌ای و قابلیت اطمینان سطحی آنها را محدود می‌کند. TFETها با چالش‌های مداومی از جمله جریان‌های حالت روشن پایین به دلیل راندمان تونل‌زنی محدود، حساسیت به آلایش و ناگهانی بودن سطح، و الزامات سختگیرانه مواد برای اتصالات تونل‌زنی باند به باند شیب‌دار^{steep band-to-band tunneling junction} مواجه هستند. FETهای تزریق منبع سرد نیز به طور مشابه در مهندسی پروفایل‌های تزریق تیز^sharp و حفظ تماس‌های با مقاومت کم، به ویژه تحت بودجه‌های حرارتی سازگار با BEOL، مشکلاتی دارند.
با نگاهی به آینده، ما ادغام ناهمگون سه‌بعدی یکپارچه ی میلیون‌ها ترانزیستور را تا سال ۲۰۳۰ و ترانزیستورهای دوبعدی (مثلاً MoS₂ n-FETها و WSe₂ p-FETها) با گیت‌های فروالکتریک با ظرفیت منفی مبتنی بر اکسید یا ورتزیت-نیترید را تصور می‌کنیم . MRAM گشتاور اسپین-مدار^{spin-orbit torque MRAM} ممکن است تا سال ۲۰۳۵ عملیات منطقی و حافظه‌ای با انرژی بسیار کم را در محدوده pJ-fJ امکان‌پذیر کند. در سطح معماری، الگوهای نوظهور مانند محاسبات درون حافظه‌ای غیرفرار و سیستم‌های نورومورفیک به فناوری‌های حافظه متراکم، پایدار و کم‌مصرف متکی خواهند بود. این پیشرفت‌ها برای کاربردهای متحول‌کننده، از وسایل نقلیه خودران که نیاز به ادغام حسگر در زمان واقعی^real-time با توان‌های کمتر از وات دارند تا حسگرهای زیستی خود-توان جهت نظارت بر سلامت و استنتاج هوش مصنوعی توزیع‌شده در محاسبات مرز صنعت(یا دانش)، بسیار مهم هستند. محاسبات زیرآستانه‌ای فراگیر^{ubiquitous subthreshold computing} ممکن است قابلیت‌های کاملاً جدیدی را در سنجش در زمان واقعی و تشخیص ناهنجاری^anomaly ایجاد کند. دستیابی به این چشم‌انداز مستلزم سرمایه‌گذاری پایدار در سطح ریخته‌گری^{foundry-level} در مواد جدید، نوآوری در روش‌های رشد و انتقال لایه اتمی برای دستگاه‌های نانوصفحه‌ای انباشته‌شده^{stacked nanosheet devices} و مشارکت‌های نزدیک صنعت و

است که راه را برای محاسبات در مقیاس اگزا در بودجه‌های در حد گوشی‌های هوشمند هموار کرده و چشم‌انداز نیمه‌هادی‌ها را از نو تعریف می‌کند.

۱.۲. ساختارهای ناهمگون^{heterostructure} vdW و یکپارچه سازی کم‌بعد^{low dimensional}

در طول ربع قرن آینده، سیستم‌های مواد دوبعدی مانند هتروساختارهای واندروالس (vdW) نحوه ساخت الکترونیک و فوتونیک چندمنظوره را از نو تعریف خواهند کرد. روی هم چیدن بلورهای دوبعدی متفاوت مانند لِگوها – با کنترل دقیق زاویه پیچش^{twist angle}، نظم لایه‌ها^{layer order} و چشم‌انداز نقص^{defect lanscape} – هم مهندسی الکترونیک در مقیاس مولکولی با کنترل لایه به لایه و هم ساختارهای نواری طراح را از طریق کوپلینگ بین لایه‌ای بین مواد متفاوت یا از طریق ابرشبکه‌های مویر^{moire superlattice} امکان‌پذیر می‌سازد. یکی از چالش‌های اساسی این است که همان ویژگی‌های مقیاس اتمی و کوپلینگ قوی که منجر به خواص مطلوب می‌شوند، مواد دوبعدی را نسبت به الکترونیک لایه نازک، به بی‌نظمی و محیط خود بسیار حساس‌تر می‌کنند. از زمان معرفی گسترده گرافن ورقه‌ای بیش از 20 سال پیش، بیشتر تحقیقات در حوزه مواد، حول مواد پیوند یافته با vdW صورت گرفته است. با وجود بلوک‌های سازنده شامل فلزات، نیمه‌هادی‌های گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم، نارساناها، مواد منظم مغناطیسی، ابررساناها و موارد دیگر، طیف مواد موجود برای روی هم چیدن، با یا بدون پیچش‌های بین لایه‌ای^{interlayer twist}، بسیار گسترده است. در حال حاضر، ایجاد مقیاس‌پذیر ساختارهای ناهمگن طراح^{designer heterostructures} بسیار دشوار است، زیرا مواد دوبعدی با بالاترین کیفیت هنوز از لایه‌برداری کریستال‌های حجیم^bulk حاصل می‌شوند و بنابراین بسیار کوچک‌تر از مقیاس‌های ویفر هستند. اگرچه خواص هیجان‌انگیز یا عملکرد عالی در سطح تک‌دستگاه نشان داده شده است، اما سوالات سال‌های آینده شامل چگونگی تولید سیستم‌ها در مقیاس‌های مرتبط با فناوری و چگونگی ادغام مواد دوبعدی (و سایر مواد با ابعاد پایین‌تر) با فرآیندهای CMOS لایه نازک است.
همانطور که الکترونیک سیلیکونی پیش‌نیاز صنایع MEMS و فوتونیک بود، انتظار داریم اولین کاربرد گسترده مواد دوبعدی در صنعت نیمه‌رساناها باشد. در حال حاضر، نقشه‌های راه صنعت نیمه‌رسانا، جایگزین کردن نیمه‌رساناهای دوبعدی مانند MoS₂ یا WSe₂ را به عنوان ماده کانال^{channel material} در سال 2035 پیشنهاد می‌کنند. در کوتاه‌مدت ( 0 تا 5 سال)، تمرکز بر افزایش رشد MOCVD/CVD نیمه‌رساناهای دوبعدی با کیفیت بالا تا ویفرهای 200 میلی‌متری، دستیابی به چگالی نقص کمتر از 1٪ در عین حفظ یکنواختی پیچش زیر درجه^{subdegree twist uniformity}، و توسعه فرآیندهای انتقال برای ادغام مواد در معماری‌های موجود بدون ایجاد بی‌نظمی جدید خواهد بود. پس از حل این چالش‌های اولیه تولید، پیش‌بینی می‌کنیم که هتروساختارهای دوبعدی توسط فناوری‌های دیگری که یا به قابلیت‌های متفاوت نیاز دارند یا به کنترل دقیق‌تر بر کیفیت نیاز دارند، پذیرفته شوند. تا اواسط دهه 2030 (5 تا 10 سال)، انتظار داریم که مونتاژ قطعی و تمام ویفر از ابرشبکه‌های مویر، که فازهای الکترونیکی آنها، مانند ابررسانایی، عایق اکسیتونی^{excitonic insulation} یا نظم توپولوژیکی^{topological order}، می‌توانند از قبل برنامه‌ریزی شوند، ایجاد شود . این قابلیت می‌تواند دستگاه‌های “پیچشی”^twistronic را ایجاد کند، که در آن ماده کوانتومی قابل برنامه‌ریزی می‌تواند با مدارهای کلاسیک در همان قالب همزیستی داشته باشد. با نگاهی به آینده (10 تا 25 سال)، خطوط ریخته‌گری ناهمگن 2D/3D^{foundry lines} ممکن است به طور معمول پشته‌های vdW و CMOS حجیم و لایه‌های فوتونی را ادغام کنند، به طوری که تراشه‌های منطقی^{mixed-dimensional logic}، فوتونی و حسگری با ابعاد مختلط را می‌توان در مقیاس بالا تولید کرد. چنین پلتفرم‌هایی فشرده‌سازی داده‌ها را تسهیل می‌کنند، انرژی مورد نیاز برای هر عملیات را کاهش می‌دهند و راه‌حل‌های سفارشی سیستم روی تراشه^{system-on-chip} را برای همه چیز از هوش مصنوعی نورومورفیک گرفته تا اتصالات کوانتومی فعال می‌کنند و ساختارهای ناهمگن vdW را به عنوان سنگ بنای الکترونیک نسل بعدی تثبیت می‌کنند.

۱.۳. مواد کوانتومی و پلتفرم‌های اطلاعاتی

انقلاب فناوری بعدی توسط علم و فناوری اطلاعات کوانتومی (QIST)^{quantum information science and technology} هدایت خواهد شد. محاسبات کوانتومی و حسگری کوانتومی بر اساس اصول درهم‌تنیدگی^entanglement و همدوسی^coherence عمل می‌کنند. غلبه بر چالش‌های ناهمدوسی، توسعه طرح‌های تصحیح خطا، و افزایش مقیاس و ادغام با فناوری‌های موجود، چالش‌های کلیدی هستند که نیاز به نوآوری‌های مداوم در مواد و مهندسی در تمام سطوح دارند. پیشرفته‌ترین پلتفرم محاسبات کوانتومی حالت جامد در سال 2025، که مسلماً مزیت کوانتومی^{quantum advantage} نسبت به همتایان کلاسیک خود را در حل دسته‌های خاصی از مسائل نشان داده است، شامل آرایه‌هایی از حدود 1000 کیوبیت ابررسانا است. با این حال، این کیوبیت‌های ابررسانا دارای فضای بسیار بزرگی (حدود میلی‌متر مربع ) هستند و به دمای عملیاتی بسیار پایین و طرح‌های تصحیح خطای پیچیده نیاز دارند. از این رو، افزایش مقیاس فراتر از وضعیت فعلی چالش برانگیز است. به موازات آن، پلتفرم‌های کیوبیت نیمه‌هادی به سرعت در حال پیشرفت فراتر از سطح چند کیوبیتی فعلی هستند. برای استفاده عملی، هر پلتفرم نیاز به توسعه اتصالات داخلی تراشه‌ای مؤثر^{effective on-chip interconnects} و میکروالکترونیک برودتی^{cryogenic microelectronics} و مدیریت جریان اطلاعات در رابط کوانتومی-کلاسیک^{information flow at the quantum-classical interface} دارد. این چالش‌ها مستلزم نوآوری و توسعه پایدار در مواد، مدارها و الگوریتم‌های کوانتومی هستند. پلتفرم‌های مواد الکترونیکی دوبعدی غیرسنتی با رابط‌های اتمی تیز و بلوری ممکن است راه‌حل‌های جایگزینی ارائه دهند. پیشرفت‌های اخیر در مواد مویر دوبعدی، فازهای الکترونیکی نوظهور مانند ابررسانایی با جفت‌شدگی نامتعارف، (پاد)فرومغناطیس، نماتیسیته و اثرات هال کوانتومی غیرعادی صحیح و کسری را آشکار کرده است. اغلب، این فازها می‌توانند در همان ماده وجود داشته باشند و از طریق تنظیم چگالی حامل یا میدان‌های خارجی می‌توان به صورت درجا به آنها دسترسی پیدا کرد. فیزیک جدید از توپولوژی و هندسه کوانتومی نه تنها هیجان‌انگیز است، بلکه درک آنها می‌تواند به فعال کردن فناوری‌هایی مانند کیوبیت‌های محافظت‌شده توپولوژیکی نیز کمک کند.
علاوه بر این، حسگرهای کوانتومی مسیرهای امیدوارکننده‌ای را برای افزایش حساسیت و وضوح مکانی تشخیص میدان مغناطیسی ارائه می‌دهند که بر کاربردهای متنوعی از جمله ناوبری و تصویربرداری زیست‌پزشکی تأثیر خواهد گذاشت. حسگرهای مبتنی بر مراکز تهی جای نیتروژن (NV)^{nitrogen-vacancies} در الماس به سرعت در حال تجاری‌سازی هستند. مراکز نقص در SiC دارای زمان‌های انسجام طولانی و سازگاری با صنعت نیمه‌رسانا هستند و پلتفرم‌های مسطح مانند ساطع‌کننده‌های تک نقص در نیترید بور شش‌ضلعی و سایر ترکیبات vdW می‌توانند به راحتی با سایر مواد دوبعدی ادغام شوند. QIST، که توسط مواد کوانتومی فعال می‌شود، پتانسیل تسریع و انقلابی در پردازش و ذخیره‌سازی اطلاعات، هوش مصنوعی و ارتباطات را دارد. در طول دهه‌های آینده، ما معتقدیم که کشف و بهینه‌سازی مواد جدید و پدیده‌های مرتبط با آنها، پایه و اساس پارادایم‌ها و فناوری‌های متحول‌کننده خواهد بود.

۲. نانوفوتونیک

۲.۱ مهندسی برهمکنش‌های نور-ماده

برهمکنش‌های نور-ماده، پدیده‌هایی از فتوسنتز گرفته تا فتوولتائیک‌ها (PVها) و میکروسکوپ نوری و ارتباطات فوتونی را کنترل می‌کنند. مهار چنین برهمکنش‌هایی در مقیاس نانو نه تنها امکان تحقیقات بنیادی در مورد نانومواد را در وضوح مکانی و زمانی بسیار بالا فراهم می‌کند، بلکه پایه و اساس فناوری‌های متعددی را در بر می‌گیرد که شامل تولید و ذخیره انرژی، سنتز شیمیایی و زیست‌پزشکی می‌شود.
رژیم‌های برهمکنش متمایز نور و ماده شامل جفت‌شدگی ضعیف و قوی هستند. در رژیم جفت‌شدگی ضعیف، نرخ جفت‌شدگی بین ماده و فوتون‌ها در یک کاواک^cavity کمتر از نرخ واپاشی سیستم است. در اینجا، ما کاربردهایی را تصور می‌کنیم که شامل حسگری و توالی‌یابی مولکولی (از جمله ساختارهای کایرال-اپتیکی^{chiral-optical structures})، فتوشیمی و کاتالیز و دستگاه‌های اپتوالکترونیکی می‌شود. در رژیم جفت‌شدگی قوی، انرژی قبل از اتلاف بین ماده و میدان کاواک مبادله می‌شود. این رژیم می‌تواند منجر به دسته‌های جدیدی از شبه‌ذرات شود که خواص کوانتومی ماکروسکوپی (مانند چگالش بوز-اینشتین، ابرشارگی یا ابرجامدگی) و همچنین انتشار پویای حامل‌ها (مانند پلاریتون‌های فونون، پلاریتون‌های پلاسمون، پلاریتون‌های اکسایتون) را نشان می‌دهند. در کوتاه‌مدت (0 تا 5 سال)، ما پیشرفت‌های قابل توجهی در برهمکنش‌های نور-ماده پیش‌بینی می‌کنیم که امکان کاوش پویای مولکول‌های منفرد و سلول‌های منفرد را فراهم می‌کند. فوتوکاتالیز حالت برانگیخته برای کاتالیز انتخابی و با بازده بالا از مواد شیمیایی با ارزش بالا؛ و موادی که می‌توانند کوپلینگ بین نور، گرما و الکترون‌ها را برای تولید و ذخیره‌سازی انرژی کنترل کنند. تا اواسط دهه 2030 (5 تا 10 سال)، پیش‌بینی می‌کنیم که کنترل برهمکنش‌های نور-ماده می‌تواند کاتالیز نوری (الکترو) مواد شیمیایی با ارزش بالا را در شرایط محیطی و با حداقل انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG)، زمینه‌های غیرمعمول “امیکس” (به عنوان مثال، متابولومیکس، لیپیدومیکس، پروتئومیکس) که توسط کاواک های نوری فعال می‌شوند، و اجزای پیشرفته برای مدیریت حرارتی ناشی از دینامیک فوق سریع (زیپیکوثانیه تا نانو ثانیه) و غیرتعادلی، امکان‌پذیر سازد. در بلندمدت (10 تا 25 سال)، ما استفاده از فتوراکتورهای بزرگ در مقیاس بزرگ را برای سنتز مولکولی صنعتی پایدار، سنتز کل ژنوم‌ها با هدایت نور برای زیست‌شناسی مصنوعی، و اتصالات Tbs/W را برای هوش مصنوعی کم‌مصرف و شبکه‌های کوانتومی پیش‌بینی می‌کنیم.

۲.۲. دستگاه‌های نانواپتیکی

دانش حاصل از مهندسی برهمکنش‌های نور-ماده، پایه و اساسی برای دستگاه‌های نانوفوتونیک پیشرفته، از جمله نانولیزرهای پمپ‌شده نوری و الکتریکی، سوئیچ‌ها، مدولاتورها و آشکارسازهای نوری، فراهم می‌کند. انگیزه اصلی، تقاضای صنعت برای ادغام یکپارچه فوتونیک و اپتوالکترونیک و در نهایت برای اتصالات تمام نوری در میکروالکترونیک، گیت‌های منطقی فوتونیک و شبکه‌های کوانتومی است. تحقق سیستم‌های فوتونیک نسل بعدی نیاز به روش‌های ساخت پیشرفته برای قرارگیری دقیق ساطع‌کننده‌ها در کاواک های فوتونی دارد. ساطع‌کننده‌های کوانتومی با کیفیت بالا شامل نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا، طیف گسترده‌ای از نقص‌های اتمی در مواد نیمه‌رسانا و دی‌الکتریک دوبعدی و ابرشبکه‌های مویر هستند. چنین ساطع‌کننده‌هایی را می‌توان با طیف گسترده‌ای از ساختارهای فوتونی، مانند میکروکاواک‌ها، موجبرها و متاسطوح ترکیب کرد. ما پیش‌بینی می‌کنیم که ساطع‌کننده‌های کوانتومی با کیفیت بالا و بر اساس تقاضا و تراشه‌های یکپارچه آینده با ساطع‌کننده‌های غیرقابل تشخیص، طی 5 تا 10 سال آینده امکان‌پذیر باشند.
توسعه نانوموادی که می‌توانند پلتفرم‌های میکروالکترونیک مبتنی بر Si را با پلتفرم‌های فوتونیک برتر به سمت نانوفوتونیک و اپتوالکترونیک یکپارچه ترکیب کنند، همچنان حیاتی است. پیشرفت‌های اخیر شامل مواد III-V روی Si/SiGe برای منابع نور و مدولاتورهای روی چیپ^{on-chip light sources}، نیوبات لیتیوم روی Si برای تبدیل الکترواپتیکی و ادغام ناهمگن مواد دوبعدی برای ساطع‌کننده‌ها و آشکارسازهای بسیار نازک است. با این وجود، چالش‌های ادغام ناهمگن با توجه به مشکلات درهم‌تنیده پایداری مکانیکی و حرارتی، بازده کوانتومی خارجی کمتر از حد مطلوب، و بازده کوپلینگ ضعیف و قابلیت تنظیم محدود، به هیچ وجه حل نشده باقی نمانده است. در 5 تا 10 سال آینده، ما مواد و رویکردهای جدیدی را برای مدارهای مجتمع نانوفوتونیک پیش‌بینی می‌کنیم. برای مثال، طرح‌های مبتنی بر متاسطوح انباشته‌شده یا مفاهیمی از خودآرایی سه‌بعدی و اوریگامی DNA می‌توانند برای مسیریابی کارآمد به سمت مدارهای فوتونیک مجتمع سه‌بعدی غیرمتعارف و روی تراشه استفاده شوند، مفاهیم توپولوژیکی می‌توانند برای دستکاری انتشار نور بدون عوارض جانبی ناشی از بی‌نظمی مورد استفاده قرار گیرند، و برهمکنش‌های قوی یا فوق‌قوی نور-ماده شامل شبه‌ذرات هیبریدی برای تنظیم برهمکنش‌های غیرخطی که فقط در فوتون‌ها وجود ندارند، مورد استفاده قرار گیرند. در درازمدت، پیش‌بینی می‌کنیم که این پیشرفت‌ها می‌توانند منجر به دروازه‌های منطقی^{logic gates} فوتونی و معماری‌های شبیه‌سازی کوانتومی و محاسبات کوانتومی (مثلاً محاسبات نورومورفیک، شبیه‌سازهای کوانتومی نوع Ising یا XY) شوند.

۳. نانوبیو

۳.۱. الکترونیک نرم، انعطاف‌پذیر و پوشیدنی

از زمان اولین دستگاه‌های محاسباتی پیشنهادی، رقابتی برای اختراع و تحقق پلتفرم‌های محاسباتی با فاکتورهای فرم فشرده‌تر بر اساس مواد، معماری‌ها و چشم‌اندازهای جدید برای ادغام زیستی وجود داشته است. امروزه، یک ابررایانه می‌تواند برای نظارت بر سلامت روی مچ دست ما پوشیده شود یا حتی برای غلبه بر فلج در مغز ما کاشته شود، اما زیرلایه‌های سفت و سخت بسیار محدودکننده هستند. تکامل سریع فاکتورهای فرم جدید که نیاز به طراحی‌های نرم و انعطاف‌پذیر دارند، همچنان به تولید و تعریف مجدد کاربردها ادامه می‌دهد.
با تکامل موادی که می‌توانند به طور هوشمندانه حس کنند، محاسبه کنند و واکنش نشان دهند، لوازم الکترونیکی پوشیدنی به طور چشمگیری نحوه تعامل انسان با محیط اطرافش را تغییر می‌دهند. علاوه بر این، مواد نرم ذاتاً با مدول مکانیکی زیر 1 مگاپاسکال مقاوم هستند. با این حال، یک چالش بزرگ، ایجاد تعادل همزمان بین عملکرد الکترونیکی و مکانیکی است. فناوری نانو با ارائه مواد بنیادی، قابلیت‌های ساخت دقیق و عملکردهای پیشرفته برای تحقق سیستم‌های حسگری و تطبیقی ​​فراگیر که حتی می‌توانند از نظر انرژی مستقل باشند، همچنان عامل اصلی این تحول خواهد بود. پیش‌بینی می‌کنیم تا سال 2050، لوازم الکترونیکی نرم، انعطاف‌پذیر و پوشیدنی، که با پیشرفت‌های پایدار در فناوری نانو شکل گرفته‌اند، از کنجکاوی‌های علمی و فنی به اجزای فراگیر و ضروری زندگی روزمره تبدیل شوند – به طور یکپارچه با بدن و محیط ما ادغام شوند تا قابلیت‌ها و ادراک انسان را گسترش دهند. پیش‌بینی می‌کنیم که آینده، آینده‌ای با هوش فراگیر محیطی خواهد بود، جایی که محاسبات می‌توانند به دلیل دستاوردهای سیستماتیک در لوازم الکترونیکی نرم و انعطاف‌پذیر، روی یا داخل بدن ما ادغام شوند.

۳.۲. نانومواد زنده و الهام گرفته از طبیعت

در طول ۲۵ سال آینده، نانومواد زنده و الهام‌گرفته از طبیعت، نحوه تعامل انسان با سیستم‌های بیولوژیکی را متحول خواهند کرد. موادی که از پیچیدگی سلسله مراتبی طبیعت الهام گرفته شده‌اند، قادر به سازگاری، تکامل و برقراری ارتباط در سطوح مولکولی، سلولی و سیستمیک خواهند بود. چنین موادی کلید پیشرفت در حسگری، مداخله در بیماری و بازسازی بافت هستند. سیستم‌های پیشرو امروزی از سنتز نانوذرات پپتیدی یا DNA محور و خودآرایی پویا گرفته تا رابط‌های زیستی هیبریدی مانند هیدروژل‌های حاوی سلول، داربست‌هایی با پاسخ الکتروشیمیایی و وسایل هوشمند دارورسانی با کنترل فضایی-زمانی را شامل می‌شوند. این پیشرفت‌ها نشان می‌دهند که چگونه می‌توان عناصر مصنوعی و بیولوژیکی را به هم پیوند داد. با این حال، هنوز محدودیت‌هایی در عملکرد مستقل، دقت تطبیقی ​​و ادغام سیستمیک وجود دارد. یکی از چالش‌های کلیدی، کنترل قابل اعتماد سطح مشترک بین نانومواد مصنوعی و سیستم‌های زنده است که بزرگترین مانع، ادغام تنوع عملکردی در سطح اتمی با ویژگی بیولوژیکی است. به عنوان مثال، چگونه می‌توانیم نانوذرات را با دقت اتمی مهندسی کنیم که بتوانند به طور هماهنگ در محیط‌های تصادفی، آنتروپیک و پویای بافت‌ها و اندام‌ها نیز عمل کنند؟
یک رویکرد دگرگون‌کننده شامل تسلط بر خودآرایی هدایت‌شده توسط آنتروپی و رمزگذاری اطلاعات شیمیایی است، به طوری که بلوک‌های سازنده در مقیاس نانو بتوانند سیستم‌های تطبیقی ​​و قابل پیکربندی مجدد را به صورت خودکار تشکیل دهند. آینده به چیزی بیش از طراحی مولکولی نیاز دارد – درک در سطح سیستم که مکانیک بافت، حلقه‌های بازخورد متابولیک را در بر می‌گیرد و هماهنگی شبکه‌های شیمیایی پیچیده بسیار مهم است. فرصت‌های بی‌شماری برای توسعه پلتفرم‌های همه‌کاره وجود دارد که نانوساختارهای مصنوعی را با محیط‌های بیولوژیکی پویا ادغام می‌کنند، که می‌تواند تشخیص‌های بلادرنگ، ریزمحیط‌های قابل برنامه‌ریزی و درمان‌های دقیقاً هدفمند را تسهیل کند. فراتر از تقلید ساختاری صرف، مرز بعدی رمزگشایی چگونگی کنترل کارایی بیولوژیکی و تصمیم‌گیری توسط جریان اطلاعات و انرژی است. ابزارهای نانومقیاس نقش مهمی در بررسی و کنترل این جریان‌ها و در نهایت هموار کردن راه برای رابط‌های مغز-ماشین، استراتژی‌های بازسازی عصبی و درمان‌های ضد پیری ایفا خواهند کرد. دستیابی به این چشم‌انداز مستلزم همکاری‌های نزدیک در حوزه‌های فناوری نانو، زیست‌شناسی مصنوعی، علوم اعصاب و مهندسی سیستم‌ها است – که زمینه‌ها را متحد می‌کنند تا در آینده ماده زنده دیگر منفعل نباشد، بلکه به طور فعال برای التیام، حس کردن و تکامل در کنار ما برنامه‌ریزی شود.

۳.۳ نانورباتیک و ماده فعال

میکرو/نانو ربات‌ها و ماده فعال به ابزارهای ضروری برای تشخیص دقیق، درمان‌های هدفمند و جراحی در سطح سلولی تبدیل شده‌اند که در نهایت کیفیت زندگی را افزایش می‌دهد. نانو ربات‌ها می‌توانند یا با نیروی محرکه خود یا با فعال شدن از طریق محرک‌های خارجی حرکت کنند. تا به امروز، آنها در درجه اول در زیست پزشکی (آزمایش‌های آزمایشگاهی تحت شرایطی که مدل‌های درون تنی را تقلید می‌کنند و آزمایش‌های درون تنی روی مدل‌های حیوانی) مورد استفاده قرار گرفته‌اند، جایی که می‌توانند مواد شیمیایی (مواد فعال یا داروها) را به صورت محلی تجویز کنند یا به عنوان حسگرهای موضعی برای نظارت بر خواص رئولوژیکی که می‌توانند با یک وضعیت پزشکی خاص مرتبط باشند، عمل کنند. بزرگترین مانع فنی برای پیشرفت، دستیابی به کنترل و ناوبری دقیق و بدون محدودیت در محیط‌های بیولوژیکی پویا و ناهمگن است. این محیط به دلیل تأثیر فراگیر حرکت براونی در مایعات بیولوژیکی با ویسکوزیته‌های مختلف، نیاز به ردیابی بلادرنگ در مقیاس نانو و حملات مداوم توسط سیستم ایمنی، ذاتاً چالش برانگیز است.
از آنجایی که هر عضو در بدن متمایز است، انواع مختلفی از ربات‌ها برای اثربخشی توسعه داده شده‌اند؛ به عنوان مثال، ریزمحیط و رئولوژی ریه‌ها با پوست یا مثانه بسیار متفاوت است. در حال حاضر، اکثر ربات‌ها توسط میدان‌های صوتی یا مغناطیسی به حرکت در می‌آیند، اما حفظ این محرک‌ها در بدن برای مدت طولانی دشوار است و عمق نفوذ آنها محدود است. رویکردهای دیگر شامل نیروی محرکه شیمیایی یا آنزیمی هستند، اما مسائل مربوط به سمیت و آسیب به محیط بیولوژیکی وجود دارد. مسائل کلی شامل طراحی نانوربات‌ها با موادی است که غیرسمی و زیست‌تخریب‌پذیر هستند و توانایی هدایت آنها را دارند. ما انتظار داریم که ساخت اجزای نانومقیاس با طراحی ویژه، مانند استفاده از نانوذرات با اشکال و اندازه‌های کنترل‌شده و با مکان‌های مشخص روی سطوح آنها که اجزای مولکولی می‌توانند در آنها لنگر بیندازند، بتواند به مورد اول بپردازد و زیردامنه‌های دقیقاً متصل و هدفمند برای بهبود هیدرودینامیک نیروی محرکه می‌تواند به مورد دوم کمک کند. چنین پیشرفت‌هایی ممکن است روش‌های تهاجمی را در اندام‌های خاص تغییر داده و به حداقل برساند و از طریق دارورسانی هدفمند منجر به پزشکی بسیار شخصی‌سازی‌شده شود.
پیش‌بینی می‌کنیم که تا سال ۲۰۵۰، نانوربات‌های خود-توان قادر به انجام مداخلات در سطح سلولی برای ترمیم بافت و اصلاح ژنتیکی و کاهش زمان بهبودی حداقل ۵۰٪ در مقایسه با روش‌های ماکروسکوپی فعلی باشند. علاوه بر این، رابط‌های پیشرفته انسان-ماشین مانند رابط‌های مغز-کامپیوتر برای اختلالات عصبی ممکن است امکان‌پذیر باشند. با این حال، در ارتباط با این نقاط عطف، موانع نظارتی قابل توجهی و همچنین نگرانی‌های اخلاقی در مورد حریم خصوصی داده‌ها، هویت انسانی و دسترسی عادلانه وجود دارد. از این رو، یک رویکرد پیشگیرانه “ایمن بر اساس طراحی” برای توسعه نانومواد و چارچوب‌های نظارتی مورد نیاز خواهد بود. همچنین، ما پیشنهاد می‌کنیم که برای دستیابی به قابلیت‌های بی‌سابقه در سلامت و تقویت انسان، تحقیقات بین رشته‌ای پایدار، منابع قابل توجه در نانوساخت افزایشی مقیاس‌پذیر و تخصص در زمینه شیمی مواد، مکانیک و ساخت پیشرفته مورد نیاز است.

۴. محیط زیست نانو

۴.۱ نانو زیست‌محیطی و اقتصاد چرخشی

یک بحران فوری در سلامت عمومی وجود دارد که ناشی از افزایش مواجهه با مواد شیمیایی مضر مانند پرفلوروآلکیل‌ها در آب آشامیدنی، میکروپلاستیک‌ها در خاک و آب و ترکیبات آلی فرار در هوا است. رسیدگی به این نیاز، نیازمند تلاش‌های متمرکز بر توسعه فرآیندهای تولیدی است که عوامل اقتصاد چرخشی را در نظر گرفته و ادغام کنند تا بتوانیم بار زیست‌محیطی مواد و دستگاه‌هایی را که به آنها وابسته شده‌ایم، کاهش دهیم. به عنوان مثال، کاتالیزورهای جدید می‌توانند تبدیل آلاینده‌ها به محصولات قابل استفاده را تسریع کنند. با این حال، آنچه که وجود ندارد، توسعه روش‌های کارآمد برای تولید نانومواد پیشرفته از طریق بازیافت است که می‌تواند منجر به بهبود نتایج زیست‌محیطی، اجتماعی و نظارتی شود.
بستن این حلقه مصنوعی از آلاینده‌ها به مواد قابل استفاده، نه تنها نیازمند بینش مکانیکی در مورد تبدیلات شیمیایی است، بلکه نیازمند تولید مقیاس‌پذیر، آزمایش استاندارد و استقرار میدانی نانومواد اصلاحی و مسیرهای دفع و بازیافت قوی نیز می‌باشد. ساخت غشاهای ضد رسوب با طراحی ویژه در مقیاس بزرگ برای تصفیه و نمک‌زدایی آب نیز از طریق مهندسی سطح مشترک نانومقیاس مهم است. طی 5 تا 15 سال آینده، پیشرفت‌هایی در تبدیل سنتزهای با کیفیت بالای نانومواد از تولید در مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس پایلوت، در توصیف عملی نانومواد در مقیاس‌های طولی، و استفاده از ابزارهای محاسباتی برای پیش‌بینی و همچنین توصیف، تبدیل اکتشافات جدید به راه‌حل‌های قابل اجرا را ممکن می‌سازد. پیشرفت‌های کلیدی، راه را برای اثرات پاک‌تر بر محیط زیست و همچنین تولید بهتر مواد شیمیایی و مواد هموار می‌کند. برای تحقق این نقاط عطف، تلاش‌های مشترک در رشته‌های مختلف، بین مؤسسات دانشگاهی، آزمایشگاه‌های ملی و صنایع نوپا و تثبیت‌شده و در سراسر مرزهای ملی ضروری خواهد بود.

۴.۲ نانوسیالات، غشاها و حسگری

نانوکانال‌های در مقیاس آنگستروم آماده‌اند تا انتقال مولکولی را به یک ویژگی طراحی قابل برنامه‌ریزی تبدیل کنند و یک پلتفرم واحد را قادر سازند تا آب دریا را نمک‌زدایی کند، منابع انرژی با گرادیان شوری (“انرژی آبی”)^{blue energy} را جمع‌آوری کند، لیتیوم را از آب‌های شور صنعتی بازیابی کند و بازهای DNA منفرد را در زمان واقعی^{real time} بخواند. دستگاه‌های آزمایشگاهی قبلاً به گزینش‌پذیری Li + :Na + بالای 10³ در کمتر از 3 بار^bar دست یافته‌اند، اما آنها به تراشه‌های در مقیاس میلی‌متری محدود شده‌اند و همچنین یک سوم عملکرد خود را تنها پس از چند هفته در مایعات واقعی از دست می‌دهند. شیمی منافذ شکننده و رسوب زیستی سریع همچنان موانع اصلی هستند. ساخت غشاهای در مقیاس سانتی‌متر تا متر که بتوانند دقت در سطح اتمی را حفظ کرده و پوشش‌های ضد رسوب را حفظ کنند، یک چالش بزرگ است زیرا حتی یک نقص یا محل هسته‌زایی بیوفیلم می‌تواند هم گزینش‌پذیری و هم شار را از بین ببرد.

پیش‌بینی می‌کنیم که طی پنج سال آینده، دینامیک مولکولی هدایت‌شده با یادگیری ماشین، سنتز کانال‌های متراکم (بیشتر از 10¹² منفذ^pores/سانتی‌متر مربع ) را هدایت کند که قطر و بار سطحی آن‌ها را می‌توان مانند شکاف‌های باند الکترونیکی تنظیم کرد. تا اواسط دهه 2030، این کانال‌ها می‌توانند به صورت یکپارچه روی ویفرهای 300 میلی‌متری با پمپ‌های الکترواسمزی، الکترودهای لایه نازک و طبقه‌بندی‌کننده‌های هوش مصنوعی لبه‌ای ادغام شوند که کارتریج‌های «آزمایشگاه روی تراشه» به اندازه کف دست تولید می‌کنند که می‌توانند مولکول‌های منفرد را در کمتر از 60 ثانیه از نمونه‌های کمتر از 5 میکرولیتر تجزیه و تحلیل کنند. با نگاهی به سال 2045، خطوط رول به رول ممکن است غشاهای دوبعدی ناهمگن انباشته شده در مقیاس متر را به صورت انبوه تولید کنند که می‌توانند نمک‌زدایی کنند، بیشتر از 15 وات بر متر مربع انرژی آبی را برداشت کنند و بیش از 80٪ لیتیوم را در یک مرحله با هزینه کمتر از 0.25 دلار بر متر مکعب آب بازیابی کنند . برای اطمینان از دسترسی عادلانه، معیارهای عملکرد باز و مجوزهای بشردوستانه باید با این پیشرفت‌ها همراه باشند. سرمایه‌گذاری هماهنگ در حوزه‌های علوم مواد، ریخته‌گری CMOS، تأسیسات آب و تجزیه و تحلیل هوش مصنوعی، نانوسیالات را از یک کنجکاوی آزمایشگاهی به ستون فقرات یک اقتصاد چرخشی مبتنی بر آب-انرژی-مواد تا اواسط قرن تبدیل خواهد کرد.

۵. نانو انرژی

۵.۱ انرژی پایدار و الکتروکاتالیز

افزایش سریع جهانی تقاضای انرژی و مواد، همراه با فشارهای فزاینده زیست‌محیطی، اهمیت حیاتی انرژی پایدار و الکتروکاتالیز را در ربع قرن آینده برجسته می‌کند. علیرغم علاقه و پیشرفت در دهه‌های اخیر – از جمله ظهور باتری‌های در مقیاس گیگاوات و قابلیت‌های تولید الکترولیزر – هنوز شکاف قابل توجهی وجود دارد تا این فناوری‌ها بتوانند به طور معناداری جایگزین سیستم‌های متعارف مبتنی بر سوخت فسیلی در مقیاس بزرگ شوند. یکی از چالش‌های اصلی، هزینه بالا و دسترسی محدود به مواد حیاتی، مانند فلزات نجیب مورد استفاده در الکترولیزرها، فلزات با منابع محدود در باتری‌های لیتیوم-یون و فلزات خاکی کمیاب در آهنرباها و کاتالیزورها است. این عوامل در هزینه نسبتاً بالای انرژی‌های تجدیدپذیر و محصولات مبتنی بر کاتالیزور نقش دارند و آنها را نسبت به همتایان سوخت فسیلی خود، از رقابت کمتری برخوردار می‌کنند. اگرچه مواد جایگزین امیدوارکننده شناسایی شده‌اند، اما به دلیل سرعت پایین سنتز اکتشافی، درک ناقص مکانیسم و ​​​​مشکلات در مقیاس‌بندی و پردازش، پذیرش گسترده آنها همچنان محدود است.
پیشرفت‌ها در فناوری نانو آماده‌اند تا کاهش هزینه‌ها و بهبود عملکرد را تسریع کنند. پیشرفت‌ها در توصیف نانومقیاس درجا/عملیاتی، سنتز دقیق اتمی نانومواد و ابزارهای محاسباتی یکپارچه با هوش مصنوعی، پتانسیل تعمیق درک ما و تسریع کشف مواد نسل بعدی در کاربردهای انرژی و پایداری را ارائه می‌دهند. چنین پیشرفتی می‌تواند هزینه‌ها را در طول 25 سال آینده دو تا سه برابر دیگر کاهش دهد و رقابت واقعی با فناوری‌های انرژی متعارف را ممکن سازد. این تحولات مواد، اساساً نحوه تولید، انتقال و مصرف انرژی و همچنین نحوه تولید مواد شیمیایی و مواد را تغییر شکل خواهد داد. با نگاه به آینده، تلاش‌های مشترک در رشته‌های مختلف، همراه با مشارکت‌های بین‌المللی در فناوری نانو، برای دستیابی به پیشرفت‌های تأثیرگذار در مواد برای انرژی پایدار و الکتروکاتالیز ضروری خواهد بود.

۵.۲ ذخیره و تولید انرژی

افزایش سریع جهانی مصرف انرژی، نیازمند زمان کوتاه‌تری بین پیش‌بینی اینکه کدام نانومواد می‌توانند برای تولید و ذخیره‌سازی انرژی مفید باشند و سنتز، توصیف و ادغام موفقیت‌آمیز دستگاه‌ها است. رویکردهای آزمون و خطای تکراری برای کشف مواد جدید، برای برآورده کردن نیازهای فوری فعلی، به ویژه مربوط به تغییرات اقلیمی، بسیار کند است. علم نانو در مهندسی دستگاه‌های فتوولتائیک پیشرفته از سیستم‌های چند ماده‌ای، از کنترل سطح مشترک در سلول‌های چند اتصالی گرفته تا دستگاه‌های نقطه کوانتومی و نانوفوتونیک برای هدایت و جذب نور، ضروری بوده است. پروسکایت‌های هالید آلی نویدبخش هستند زیرا راندمان‌های قابل مقایسه با مواد فتوولتائیک معدنی را با قابلیت پردازش محلول ترکیب می‌کنند و هنگام اتصال به سلول‌های خورشیدی سیلیکونی به خوبی کار می‌کنند، هم در معماری‌های تک اتصالی و هم در هنگام اتصال با سلول‌های خورشیدی سیلیکونی در هندسه‌های پشت سر هم. با این حال، پیشرفت در پوشش‌ها و نانوکامپوزیت‌ها برای محافظت در برابر تخریب محیطی آنها و بهبود مدیریت نور و طول عمر، مورد نیاز است. مواد نانوساختار همچنین کلید غلبه بر محدودیت شاکلی-کوئیسر در عملکرد دستگاه از طریق تولید چند اکسیتون و برداشت حامل‌های گرم قبل از حرارتی‌سازی هستند. تولید سوخت خورشیدی، تجزیه آب، ترموالکتریک‌های پیشرفته برای جمع‌آوری گرمای اتلافی، مهندسی فوتونیک برای انتقال گرمای تابشی غیرفعال، متمرکزکننده‌های خورشیدی لومینسانس و مفاهیم جدید دستگاه‌های سوسوزن مبتنی بر کامپوزیت‌های پلیمری-نانوکریستالی، به طور مشابه در حوزه علوم نانو قرار دارند. علاوه بر این، نانومواد برای طراحی مواد الکترودی برای باتری‌ها و ابرخازن‌ها بسیار مهم هستند، زیرا مساحت سطح بالا و خواص مکانیکی آنها می‌تواند به طور قابل توجهی از حالت توده‌ای منحرف شود.
پیشرفت در روش‌های محاسباتی برای هدایت سنتز اکتشافی، پتانسیل تعمیق درک ما و تسریع کشف مواد نسل بعدی مانند پروسکایت‌های کالکوژنید و کالکوهالیدها را فراهم می‌کند. روش‌های توصیف درجا/عملکرد ساختار الکترونیکی و خواص مکانیکی، جدول زمانی بین کشف و پیاده‌سازی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. تا سال 2030، پیشرفت‌های علوم نانو در ساخت و توصیف دقیق اتمی باید شاهد دستاوردهایی در فناوری‌های PV و مواد الکترود برای کاربردهای باتری باشد. در طول دهه آینده، مدل‌سازی چندمقیاسی مواد، و همچنین جریان انرژی و بار در رابط‌ها، همراه با روش‌های پیشرفته تولید، منجر به تولید سوخت PV و خورشیدی با راندمانی فراتر از محدودیت‌های سنتی خواهد شد. به همین ترتیب، این قابلیت‌های پیشرفته، لیتیوم-یون و سایر مواد شیمیایی باتری را به سمت چگالی‌های انرژی ذخیره شده خاص و توان‌های شارژ/دشارژ نزدیک به سطوح سوخت‌های شیمیایی سوق می‌دهد. مدل‌سازی پیش‌بینی‌کننده و مقیاس‌بندی صنعتی تولید و سنتز مواد برای کاربردهای انرژی، تا اواسط قرن تأثیر دگرگون‌کننده‌ای بر مصرف انرژی جهانی خواهد داشت.

۵.۳. نانوفناوری محیط‌های سخت و فضا

مواد نانوساختار برای محیط‌های سخت – از -270 تا +1500 درجه سانتیگراد، 10 تا 14 و 9 پاسکال، و دوزهای تابشی >1 Mrad – در امکان‌پذیر کردن سفرهای فضایی و حمل و نقل اقتصادی و همچنین برداشت انرژی پاک در مقیاس گیگاوات که پیش‌بینی می‌شود تا سال 2050 غالب باشد، بسیار مهم خواهند بود. بهترین دستگاه‌های الکترونیکی مقاوم در برابر تابش امروزی تا دوز یونیزه‌کننده کل حدود 1 Mrad (به عنوان مثال، دستگاه‌های مبتنی بر SiC) به طور قابل اعتمادی کار می‌کنند، اما فراتر از 10 Mrad مورد نیاز برای ماموریت‌های 30 ساله در کمربندهای تابشی مشتری یا نزدیک راکتورهای هسته‌ای، به طور فاجعه‌باری از کار می‌افتند – یک شکاف قابلیت اطمینان 10 برابری. به همین ترتیب، دستگاه‌های حافظه غیرفرار (به عنوان مثال، فلش) نمی‌توانند اطلاعات را در دماهای بیش از 300 درجه سانتیگراد حفظ کنند. در حالی که بسیاری از نانومواد به دلیل خواص مکانیکی و شیمیایی قوی خود مورد بررسی قرار گرفته‌اند، ما فاقد ابزار لازم برای تولید نانوساختارها و متامواد در مناطق بزرگ و در هندسه‌های غیرمسطح هستیم. توانایی ایجاد نانومواد ساختاری کاربردی (فتوولتائیک، ترموالکتریک، تابش سخت و مکانیکی مقاوم) برای برداشت انرژی در کاربردهای فضایی در مقیاس بزرگتر از 1 متر مربع ، چه به صورت خودایستا و چه به عنوان پوشش، می‌تواند انقلابی در این زمینه ایجاد کند.
چالش اساسی، دستیابی به بهینه‌سازی همزمان خواص الکترونیکی، حرارتی و مکانیکی در مواد نانوساختار با حفظ دقت در مقیاس اتمی در سطوحی در مقیاس متری است. ابزارهای فعلی مانند رسوب لایه اتمی به هندسه‌های مسطح و کمتر از ۱ متر مربع محدود می‌شوند . ما پیش‌بینی می‌کنیم که تکنیک‌های خودآرایی برای ایجاد معماری‌های متامواد همراه با نانومواد سرامیکی مبتنی بر نیترید، کاربید و اکسید می‌تواند نانوساختارهای دوبعدی و سه‌بعدی را با خواص الکتریکی قابل تنظیم، رسانایی حرارتی و تحمل تابش بیش از ۱۰۰ میلی‌رادیان و با قابلیت تولید ۱۰ متر مربع امکان‌پذیر کند.
کاربردهای بالقوه فراوانی برای ماهواره‌های خورشیدی، نیروگاه‌های خورشیدی فضایی و راکتورهای هسته‌ای فشرده وجود دارد. با این حال، مانند سایر مواد ساخته شده و نانوکامپوزیتی و پوشش‌های محافظ، باید دقت شود که این ساختارهای سبک، قوی و کاربردی فقط محصولات جانبی ایمن، زباله‌ها و در نهایت بازیافت یا دفع نهایی پس از پایان عمر تولید کنند. دستیابی به توسعه و استقرار مقیاس‌پذیر این مواد انقلابی نیازمند همکاری بین متخصصان نانوساخت، دانشمندان مواد و مهندسان شیمی، صنعتی و تولیدی و همچنین مشارکت آژانس‌های فضایی و انرژی هسته‌ای است.

۶. نانومواد

۶.۱. مدل‌سازی اکتشاف مبتنی بر هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی

هوش مصنوعی به سرعت در حال تغییر ماهیت و روش‌های اکتشاف علمی است. پلتفرم‌های هوش مصنوعی همچنان در مقیاس وسیع در تمام زمینه‌های STEM آموزش داده می‌شوند و انتظار می‌رود که به سطوح بی‌سابقه‌ای از دقت و کارایی برسند و در عین حال هر دهه گسترش چند برابری را نشان دهند. آن‌ها بر اساس موفقیت موارد برجسته‌ای مانند GNoME (کشف ۲.۲ میلیون ساختار کریستالی پایدار که از شهود شیمیایی انسان فراتر می‌رود) و AlphaFold (یک سیستم پیش‌بینی تاخوردگی پروتئین که یک چالش ۵۰ ساله در زیست‌شناسی را دهه‌ها زودتر از آنچه پیش‌بینی شده بود حل کرد) بنا خواهند شد. تمرکز اکتشاف مبتنی بر هوش مصنوعی به تسریع جستجو برای مواد باتری حالت جامد، مواد دوبعدی و نانومواد نورومورفیک تغییر خواهد کرد، با هدف امکان‌پذیر کردن ذخیره‌سازی انرژی طولانی مدت و کارآمد و مهار مصرف انرژی سخت‌افزاری. انتظار می‌رود پیشرفت‌های حاصل از هوش مصنوعی به کشف کاتالیزورهای جدید برای تولید پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر، توسعه مواد زیست‌سازگار با سیستم ایمنی انسان و بهینه‌سازی مواد کوانتومی کمک کند. این فضای وسیع و هنوز تا حد زیادی دست‌نخورده از مواد، حاوی حدود ده تریلیون ترکیب شیمیایی ممکن است.
با توجه به موفقیت‌های موجود هوش مصنوعی و یادگیری ماشین (ML) در مسائل نانومقیاس و قدرت عظیم موجود در شیمی محاسباتی و روش‌های مواد در مقیاس‌های مختلف (به عنوان مثال، قطری‌سازی دقیق، نظریه تابعی خوشه و چگالی جفت‌شده، نظریه میدان میانگین دینامیکی، دینامیک مولکولی، بازبهنجارش ماتریس چگالی)، زمینه برای پیشرفت‌های بیشتر در طراحی و سنتز پیش‌بینی‌کننده مولکول‌ها و مواد فراهم شده است. در یک مقیاس زمانی ۵ تا ۱۰ ساله، تحقیقات مبتنی بر هوش مصنوعی می‌تواند منجر به آزمایشگاه‌های خودگردانی شود که می‌توانند در کمتر از ۳۰ روز برای حوزه‌های کاربردی اولویت‌دار، از مفهوم به مواد نمونه اولیه معتبر همگرا شوند. در یک مقیاس زمانی ۲۵ ساله، ما ایجاد خدمات “ریخته‌گری معکوس” مبتنی بر ابر را پیش‌بینی می‌کنیم که می‌توانند دستور العمل‌های مواد آماده برای تولیدکننده و دوقلوهای دیجیتال را بر اساس تقاضا ارائه دهند، که چرخه‌های تحقیق و توسعه را به چند روز کاهش می‌دهد.
بهبود عدم قطعیت، شفافیت و تکرارپذیری الگوریتم‌های پیچیده یادگیری ماشین در پیش‌بینی خواص نانومقیاس و تضمین کیفیت داده‌ها همچنان یک چالش بزرگ است. برای حل این مشکل، باید بینش فیزیکی بیشتری به یادگیری ماشین وارد کنیم، با هدف دستیابی به هوش مصنوعی قابل توضیح. در عین حال، باید برای پوشش مؤثر فضای فاز ترکیبات و ساختارهای نانومواد در مجموعه داده‌های خود، به عنوان مثال، با توسعه استراتژی‌های یادگیری فعال هدفمند، تلاش کنیم. ایجاد و گردآوری مجموعه داده‌های عظیم و قابل اعتماد بسیار مهم است. دگرگون‌کننده‌ترین برنامه‌ها نیاز به بهینه‌سازی حجم کار هوش مصنوعی برای بهره‌برداری کامل از زیرساخت‌های محاسباتی برای کشف علمی، گسترش استفاده از هوش مصنوعی در تحقیقات مجموعه داده‌های کوچک، ترویج الگوریتم‌های پایدار با نظارت بر محیط زیست و مصرف انرژی و حفظ استانداردهای عملکرد با پرداختن به چالش‌های کاهش‌پذیری و دقت دارند. برای بهینه‌سازی مزایای هوش مصنوعی در تحقیقات علمی و تضمین استفاده اخلاقی از آن برای منافع عمومی، همکاری‌های بین بخشی بین دانشمندان و مهندسان مواد تا دانشمندان کامپیوتر و ریاضیدانان ضروری است.

۶.۲. نانوتولید افزایشی برای فناوری نانو توزیع‌شده و مبتنی بر تقاضا

ما پیش‌بینی می‌کنیم که در طول ربع قرن آینده، تولید افزایشی به دقتی در مقیاس نانو دست خواهد یافت که نمونه‌سازی سریع مواد و خواص دستگاه‌ها را متحول خواهد کرد. همانطور که چاپ سه‌بعدی، تولید سنتی را متحول کرده است، انتظار داریم که تولید افزایشی در مقیاس نانو، چرخه نمونه‌سازی را از ماه‌ها به ساعت‌ها کاهش دهد، که این امر فناوری نانو را از طریق تولید توزیع‌شده و سفارشی، عمومی‌سازی کرده و قابلیت‌هایی را که در حال حاضر محدود به بزرگترین شرکت‌های نیمه‌هادی و برخی سازمان‌های کوچک است، در دسترس قرار می‌دهد. سیستم‌های لیتوگرافی چند فوتونی فعلی می‌توانند به وضوح پیکسل سه‌بعدی ۱۰۰ نانومتری دست یابند، نانومواد مختلف زیادی را با عملکردهای مختلف الگوسازی کنند و حتی مواد واکنش‌پذیر را برای امکان پیکربندی مجدد خواص، ترکیب کنند و طراحی مواد «چهاربعدی» را امکان‌پذیر سازند. از آنجایی که تولید افزایشی در مقیاس نانو در مقایسه با چاپ سه‌بعدی معمولی، تلرانس‌های بسیار دقیق‌تری دارد، چالش اصلی، ادغام رویکردهای چند فوتونی سه‌بعدی در پردازش رول به رول با توان عملیاتی کافی بالا برای امکان تولید در مقیاس بزرگ است. اگرچه چاپ مواد منفرد در شرایط ایده‌آل قابل مدیریت است، اما ترکیب همزمان چندین ماده در مقیاس‌های مختلف نیاز به بازخورد پویا برای به حداقل رساندن نقص‌های نامطلوب و تثبیت شرایط با تغییر مواد در پاسخ به محیط‌های اطرافشان دارد.
حل این چالش‌ها، امکان تولید متامواد و دستگاه‌های قابل پیکربندی مجدد سه‌بعدی و چهاربعدی را در فاکتورهای فرم برای لوازم الکترونیکی پوشیدنی و همچنین سطوح دلخواه در فوتونیک و الکترونیک چاپی برای یک اینترنت اشیا توزیع‌شده فراهم می‌کند. افزایش تنوع نانومواد در تولید و محصولات، چالش‌های بالقوه‌ای را در ایمنی کارگران، سلامت مصرف‌کننده و آلودگی محیط زیست ایجاد می‌کند و بنابراین بررسی دقیق چرخه عمر کامل برای جلوگیری از اشتباهات انقلاب‌های تولیدی قبلی ضروری خواهد بود. ما انتظار داریم که در 5 سال آینده، سیستم‌ها ابزارهای مترولوژی درون خطی و نظریه کنترل را برای تنظیم پویای شرایط پردازش در خود جای دهند. با ترکیب لیتوگرافی لیزر fs و خودآرایی هدایت‌شده، به وضوح وکسل 10 نانومتری دست خواهیم یافت. در 5 تا 10 سال آینده، خطوط مونتاژ سلسله مراتبی رول به رول احتمالاً به توان عملیاتی در مقیاس متر با نرخ نقص کمتر از 0.1٪ دست خواهند یافت. در درازمدت، همانطور که چاپگرهای سه‌بعدی و ابزارهای ماشینکاری به راحتی در شرکت‌های کوچک در دسترس هستند، پیش‌بینی می‌کنیم که نانوریخته‌گری‌های توزیع‌شده و ابری می‌توانند تولید دستگاه‌های سفارشی را بر اساس تقاضا و بدون نقص ارائه دهند. برای دستیابی به ابزارهای متفاوت مورد نیاز برای تحقق این اهداف، به بازخورد نزدیک بین بخش‌های تولید افزایشی و صنایع نیمه‌هادی نیاز خواهد بود.

۶.۳ نانو مشخصه‌یابی پیشرفته

ما انتظار داریم که مشخصه‌یابی در مقیاس نانو، با تبدیل وضوح سه‌بعدی و زیر اتمی در زمان واقعی و تحت شرایط واقعی، پیشرفت‌ها در QIST، پلتفرم‌های محاسباتی، معماری‌های ذخیره‌سازی انرژی و رابط‌های بیو-نانو را تسریع کند. امروزه، شاهد انقلاب‌های همزمان در میکروسکوپی، با روش‌های جدید تصویربرداری الکترونی، فوتونی، اشعه ایکس و پروب روبشی هستیم. به عنوان مثال، 4D-STEM (میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی) و پتیکوگرافی الکترونی چند برشی می‌توانند موقعیت‌های اتمی را با دقت زیر آنگستروم (Å) حل کنند، حتی بازسازی‌های اتمی سه‌بعدی و اطلاعات میدان الکتریکی و مغناطیسی محلی را ارائه دهند. اسکن مراکز NV، اسکن کیوبیت یا طیف‌سنجی‌های نوری تقویت‌شده با نوک می‌توانند حالت‌های نقص منفرد را بررسی کنند، گذارهای کوانتومی را نقشه‌برداری کنند و حالت‌های محافظت‌شده توپولوژیکی را شناسایی کنند. اتوماسیون امکان تصویربرداری از بسیاری از نمونه‌ها یا کل ویفرها را تنها با حداقل راهنمایی انسانی فراهم کرده است. با این حال، دو چالش عمده وجود دارد: (1) عدم یکپارچگی یکپارچه بین روش‌ها و عدم توانایی در انجام تجزیه و تحلیل‌های درجا و عملیاتی در مقیاس واقعی برای نتایج آماری معنادار و (2) توانایی ترکیب مجموعه داده‌های بزرگ و جریان‌های داده چندوجهی در مدل‌های منسجم و قابل تفسیر که می‌توانند سنتز و تصمیم‌گیری خودکار را هدایت کنند.
روش‌های تصویربرداری وقتی با هوش مصنوعی ادغام شوند، برای تسریع تجزیه و تحلیل داده‌ها در مجموعه داده‌های عظیم، افزایش استقلال ابزارهای توصیف و ساده‌سازی کشف سیگنال‌ها یا دینامیک‌های پنهان فراتر از دسترس روش‌های امروزی، حتی قدرتمندتر خواهند شد. یک استراتژی دستیابی به موفقیت می‌تواند شامل توسعه رصدخانه‌های «دوقلوی دیجیتال» شبکه‌ای جهانی باشد، که در آن می‌توان کپی‌های مجازی آزمایش‌های نانومقیاس را به صورت مشترک اجرا و بهینه‌سازی کرد. این هدف نه تنها نیازمند پیشرفت در ابزار دقیق، بلکه نیازمند معماری‌های قوی هوش مصنوعی است که بر اساس مدل‌های مبتنی بر فیزیک آموزش دیده باشند و قادر به پردازش، تجزیه و تحلیل و تفسیر داده‌ها در زمان واقعی باشند. تا سال 2035، توسعه آشکارسازهای الکترون و فوتون (اشعه ایکس) بدون نویز با قابلیت‌های کسب توان عملیاتی بالا برای نظارت در زمان واقعی آزمایش‌های درجا و عمل ضروری خواهد بود. این آشکارسازها باید قادر به ثبت پدیده‌ها در طیف وسیعی از مقیاس‌های زمانی، از واکنش‌های شیمیایی که در مقیاس میلی‌ثانیه رخ می‌دهند تا رویدادهای کوانتومی که در مقیاس پی‌ثانیه آشکار می‌شوند، باشند. کاربردها از مواد کوانتومی قابل برنامه‌ریزی تا ایمپلنت‌های زیست‌پزشکی تطبیقی ​​​​گسترش خواهند یافت. با این حال، نگرانی‌های اخلاقی پیرامون حاکمیت داده‌ها و سوگیری الگوریتمی باید از طریق حاکمیت شفاف و چارچوب‌های دسترسی آزاد مورد توجه قرار گیرد. برای تحقق این چشم‌انداز، باید در کنسرسیوم‌های بین رشته‌ای که هوش مصنوعی، میکروسکوپی، طیف‌سنجی و علوم مواد را به هم متصل می‌کنند، سرمایه‌گذاری کنیم تا دوران جدیدی از علوم نانو قابل تکرار، مقیاس‌پذیر و دموکراتیک امکان‌پذیر شود.

۷. سیاست، ایمنی و مقررات نانو

از ابتدا، استانداردهای اخلاق و ایمنی در علوم نانو به موازات پیشرفت‌های علمی و مهندسی به دلیل نویدبخشی فناوری نانو برای سلامت و رفاه انسان، جامعه و محیط زیست، توسعه یافته‌اند. جامعه نانو با هدف جلوگیری از واکنش‌های منفی عمومی که با پیشرفت‌های بیوتکنولوژی مرتبط با رشد، حفاظت و تغذیه محصولات کشاورزی به شکل ارگانیسم‌های اصلاح‌شده ژنتیکی (GMOs) همراه بود، فعالیت می‌کرد. از این رو، گروه‌هایی از اقتصاددانان، اخلاق‌گرایان و محققان با هم همکاری کردند تا ارزیابی کنند که چگونه می‌توان به بهترین نحو حوزه خود را برای تأثیر بالقوه بر جامعه هدایت کرد. با این حال، در حالی که چارچوب‌ها و ارزیابی‌های چرخه عمر پراکنده‌ای وجود دارد، کمتر از 20٪ از نانومواد تجاری مورد استفاده، به پروتکل‌های هماهنگ آزمایش مواجهه و سمیت مطابق با سازمان بین‌المللی استانداردسازی (ISO) پایبند هستند، که شکاف قابل توجهی در توانایی ما برای پیش‌بینی و مدیریت مسیرهای خطر خاص مواد ایجاد می‌کند. چالش اصلی در توسعه روش‌های آزمایش یکپارچه و خاص در مقیاس نانو است که توسط نهادهای استاندارد بین‌المللی تأیید شده و سپس ایجاد زیرساخت‌های داده‌ای مورد نیاز برای پشتیبانی از آنها وجود دارد، زیرا مکانیسم‌های سمیت به طور چشمگیری با اندازه، شکل و شیمی سطح ذرات متفاوت است. با این حال، سیستم‌های نظارتی فعلی همچنان پراکنده و متناسب با محل هستند. علاوه بر این، با رشد هوش مصنوعی و مجموعه داده‌های عظیم، نگرانی‌های اخلاقی مربوط به حریم خصوصی داده‌ها و هویت انسانی افزایش خواهد یافت و رویکردی پیشگیرانه برای طراحی مواد ایمن و یک شبکه نظارتی قوی مورد نیاز خواهد بود.
چیزی که به سرعت در فضای تحقیقاتی کشف شد این بود که استانداردسازی یک چالش بزرگ است. در یک مثال ساده اما گویا – سنتز نانوذرات پلاسمونیک – محصول به شدت به عوامل فنی و غیرفنی، از جمله تعداد دسته معرف، خلوص معرف، کالیبراسیون ابزارهای مورد استفاده در سنتز (دما، همزن)، تمیزی ظروف شیشه‌ای، شرایط محیطی و موارد دیگر وابسته است. پیروی از یک روش منتشر شده لزوماً منجر به محصول یکسانی نشد. با این حال، مهمتر از آن، یک مسئله کلیدی و اساسی وجود داشت: برخلاف سنتز شیمیایی، که در آن می‌توان یک مول مولکول سنتز کرد، در سنتز نانوذرات، تهیه یک مول نانوذرات غیرممکن است. ویژگی‌هایی مانند قرارگیری اتمی، وجوه کریستالی و لیگاندهای تثبیت‌کننده (به عنوان مثال) نمی‌توانند برای هر نانوذرات در محلول یکسان باشند. این موضوع نیاز به استفاده از آمار برای تجزیه و تحلیل استانداردسازی نانومواد و نانودستگاه‌ها دارد، اما در مقالات به اندازه کافی مورد توجه قرار نگرفته است. جامعه از دانستن اینکه چند دستگاه آزمایش شده‌اند و چند دستگاه کار می‌کنند؛ توزیع شکل نانوذرات در یک سنتز معمولی چگونه است؛ و اینکه چگونه شکل نانوذرات در یک سنتز معمولی کار می‌کند، بسیار سود خواهد برد. و اینکه تلرانس ترکیبات مواد کامپوزیتی و مواد یکپارچه بر عملکرد باتری‌ها، دستگاه‌های فتوولتائیک، قطعات الکترونیکی و حسگرهای انعطاف‌پذیر و الکتروکاتالیست‌ها چقدر است. مثال‌های متعدد دیگری را می‌توان در این زمینه گنجاند. ایجاد محدوده‌های عملیاتی بر اساس تفاوت‌های قابل قبول در مقیاس نانو در آماده‌سازی نمونه، در طول ۲۵ سال آینده بسیار مفید خواهد بود.
برای پرداختن به این ناشناخته‌ها، تا سال ۲۰۳۵، به سنجش‌های استاندارد و با توان عملیاتی بالا در مورد ساختار-سمیت نیاز داریم که نسبت نانومواد آزمایش‌شده را افزایش داده و زمان‌های چرخش آزمایش را از ماه‌ها به روزها کاهش دهد. تا سال ۲۰۴۵، باید این قابلیت‌ها را در یک پلتفرم ارزیابی چرخه عمر و ایمنی کاملاً زنجیره‌ای و همسو با ISO – که مدل‌های پیش‌بینی مبتنی بر هوش مصنوعی را با نظارت بلادرنگ از طریق پروتکل‌های استاندارد ترکیب می‌کند – از آزمایشگاه تا میدان، مقیاس‌بندی کنیم. در نهایت، تا سال ۲۰۵۰، هدف ایجاد یک مرکز ایمنی مشترک جهانی “دوقلوی دیجیتال” است که توسط تنظیم‌کننده‌ها، صنعت و سازمان‌های استاندارد اداره می‌شود و مدیریت ریسک تطبیقی ​​یک مرحله‌ای و صدور گواهینامه مبتنی بر ISO را برای همه مواد جدید امکان‌پذیر می‌سازد. دستیابی به این چشم‌انداز، امکان ایجاد بردارهای دارورسانی نسل بعدی، گروه‌های خودگردان اصلاح محیط زیست و کاتالیزورهای انرژی فوق کارآمد را با خیال راحت فراهم می‌کند، در حالی که پروتکل‌های نظارت و حاکمیت تطبیقی، خطراتی مانند تجمع زیستی و نقض حریم خصوصی را کاهش می‌دهند. تحقق این نقاط عطف نیازمند یک کنسرسیوم پایدار از دانشگاه، صنعت، نهادهای نظارتی و نهادهای استاندارد است که با همکاری یکدیگر یک مرکز داده باز ایمنی نانو، استانداردهای یکپارچه روش‌های آزمایش و یک اکوسیستم اعتبارسنجی میدانی ایجاد کنند.
در این مقاله، ما حوزه‌های کلیدی را شناسایی کرده‌ایم که تحقیقات متمرکز بر نانو هنوز نیاز به رشد و تکامل دارند تا به پتانسیل خود – برای نیازهای فعلی، تقاضاهایی که می‌توانیم پیش‌بینی کنیم و چالش‌های تعریف نشده آینده – نزدیک شوند. بینش‌ها و ابزارهای علم نانو اکنون تقریباً هر بخش فناوری را در بر می‌گیرد، از الکترونیک و فوتونیک که برای پردازش، ارتباط و نمایش اطلاعات استفاده می‌کنیم؛ کاتالیزورهایی که تنوع عظیمی از مواد و فرآیندها را ممکن می‌سازند؛ پیشرفت‌های زیست‌پزشکی که سلامت ما را رصد و بهبود می‌بخشند؛ و روش‌های تولید، انتقال و ذخیره انرژی. فراگیری و بین‌رشته‌ای بودن ذاتی علم نانو و فناوری نانو، نقاط قوت و ریشه اهمیت بنیادی آن است. در طول 25 سال آینده، قدرت محاسباتی عظیم در قالب هوش مصنوعی و یادگیری ماشین، پیشرفتی را ممکن می‌سازد که احتمالاً جایگزین آنچه قبلاً بوده است، خواهد شد. ما در Nano Letters مشتاقانه منتظریم تا همچنان مجله خانگی شما برای انتقال این پیشرفت‌های بزرگ بعدی و کشفیات آینده باشیم.

لینک مقاله اصلی: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04115