بررسي بازار نانوحسگرها

نانوجسگر چيست؟

در اين گزارش هنگامي که به واژه نانوحسگر اشاره مي‌کنيم منظور ما يكي از حسگرهاي زير مي‌باشد.

حسگرهايي که در ساخت آنها از نانوذرات، نانوپوشش‌ها و يا از ساير مواد مصرفي نانومتري استفاده شده است ولي توليد آنها از طريق فناوري مرسوم مي‌باشد.

(2) حسگرهايي که از نانومواد براي سيستم حسي آنها استفاده شده و براي توليدشان نيز از بعضي فناوري‌هاي نانوالکتريکي مانند مولکترونيک (molectronics)، اسپينترونيک، پلاستيک‌ها يا پليمرهاي الکترونيکي، نانولوله‌ها و نانوسيم‌ها استفاده شده است.

پيش‌بيني نانومارکتز نشان مي‌دهد که نانوحسگرهاي نوع اول بازار نانوحسگرها را در طول دهه بعد به‌دست خواهند گرفت و سپس براي اولين بار در سال 2011 به ميزان 50% رشد منفي خواهند داشت. به هر حال پيشرفت نانوحسگرهاي نوع دوم واقع‌گرايانه‌تر است.

شرکت ان. وي.اي (NVE) از هم اکنون نانوحسگرهايي بر پايه فناوري اسپينترونيک را براي بازار سمعک‌ها و دستگاه‌هاي تنظيم‌کننده ضربان قلب خريداري کرده است؛ يعني در جاهايي که اندازه کوچک اين دستگاه‌ها مزاياي بسيار آشکاري دارد.

جذابيت‌هاي نانوحسگرها                           

به طور صريح اين قبيل مزاياي نانوحسگرها باعث شده است که به عنوان فرصتي وسوسه‌انگيز براي بازار تلقي شوند. نانوحسگرها به طور ذاتي کوچک‌تر و حساس‌تر از ساير حسگرها مي‌باشند. همچنين اين ظرفيت را دارند که قيمت تمام شدة آنها کمتر از قيمت تمام‌شده حسگرهاي موجود در بازار باشد.

در اين تحقيق نشان داده شده که اگر توليد انبوه نانوحسگرها توجيه اقتصادي پيدا کند هزينه توليد آنها مي‌تواند بسيار کمتر از حسگرهاي معمولي باشد. براي مثال اگر قيمت حسگرهاي صنعتي متداول امروزي، چند 10 هزار دلار باشند براي نانوحسگرهايي که بتوانند همان کار را انجام دهند به صورت نظري چند 10 دلار برآورد مي‌شود. نانوحسگرها همچنين هزينه جاري را نيز کاهش مي‌دهند؛ زيرا به طور ذاتي برق کمتري مصرف مي‌کنند.

درنهايت از آنجايي که نانوحسگرها هزينه‌هاي خريد و اجرا را کاهش مي‌دهند؛ ممکن است به‌کارگيري آنها به صورت آرايه‌ها و توده‌ها مقرون به صرفه باشد و همچنين بتوانند به شکل فراگير و حتي اضافي در قطعات کاربرد پيدا کنند؛ به طوري‌که اگر يک نانوحسگر از کار بيفتد و از مدار خارج شود بتوان از آن صرف نظر کرد و ضريب امنيت در حد مطلوبي باقي بماند، زيرا تعداد زيادي نانوحسگر ديگر در سيستم مي‌توانند کار آن را به عهده بگيرند.

با برداشتي که از کاربرد نانوحسگرها مي‌کنيم امکان دارد به سرعت به سمت اين نتيجه‌گيري سوق پيدا کنيم که فناوري نانوحسگرها، فناوري بسيار مطمئن و قابل قبولي است، اما هنگامي که به سمت معادله عرضه و تقاضا نگاه مي‌کنيم در مي‌يابيم که تجارت نانوحسگرها در ابتداي راه است و مشغول ديدن زواياي بيروني کار به مثابه يک روياي ثروت‌اندوزي است.

در بخش نظامي و امنيت ملي احتياج به حسگرهاي بسيار حساسي است که بتوانند به صورت گسترده توزيع شوند تا به کمک آنها بتوان تشعشعات و بيوسم‌هاي زيستي را مورد بررسي قرار داد. در زمينه پزشکي نياز به حسگرهاي بسيار حساسي به صورت آزمايشگاه‌هايي بر روي تراشه است كه بتوانند کوچک‌ترين علائم نشان‌دهندة سرطان را شناسايي کنند. در صنايع هوافضا احتياج به نانوحسگرهايي است که در بدنة هواپيماها به عنوان سيستم هشداردهنده ثابت قرار بگيرند و مشخص کنند که چه زماني هواپيما احتياج به تعميرات دارد.

در صنايع اتومبيل مي‌توان از نانوحسگرها براي مصرف بهينه سوخت استفاده کرد. همچنين در اتومبيل‌هاي گران‌قيمت مي‌توان براي بهبود وضعيت صندلي و وضعيت کنترل‌هاي موجود به تناسب حالت‌هاي مختلف بدن، اين نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد. در مرحله بعدي مي‌توان از آن در فناوري اطلاعات به منظور ترغيب در فراگيرشدن (اي.کا.اي فراگير) سيستم‌هاي محاسبه‌گر رايانه‌هاي همراه هميشه روشن استفاده کرد. همچنين مي‌توان آنرا به شکل توده حسگرها در تلفن‌هاي هوشمندي که براي ارتباطات ثابت بين ساير تلفن‌هاي هوشمند و رايانه‌هاي همراه از آنها استفاده مي‌شود، به کار برد!

موانع پيشرفت بازار نانوحسگرها

تعدادي از شرکت‌هاي بسيار بزرگ بازرگاني اکنون بازار نانوحسگرها را زير نظر گرفته‌اند. شرکت (Smiths detection) نانوحسگري را توليد کرده که باعث توسعه حسگرها در زمينه‌هايي چون امنيت ملي، کنترل کيفي خوراکي‌ها و شناسايي بيماري‌ها شده است. شرکت (Dow Corning) درخت‌سان‌هايي توليد کرده و قصد دارد با كمك  شرکت جننکر
(Genencor) قالب‌هاي سيليكوني را توليد نمايد كه با فناوري زيستي به دست آمده‌اند و در ساخت بيوحسگرها کاربرد دارند. آزمايشگاه تحقيقاتي مشهور IBM در زوريخ  (Zurich IBM) نيز تحقيقاتي بر روي نانوحسگرهاي زيستي و شيميايي انجام داده است. همچنين شرکت لاک هيد مارتين و بوئينگ بر روي اين ايده کار مي‌کنند که چگونه مي‌توان از نانوحسگرها در صنايع هوا فضا استفاده کرد. به طور دقيق 12 آزمايشگاه تحقيقاتي بر روي اهداف و انواع مختلف فناوري نانوحسگرهاي تجاري در سراسر جهان مشغول به کار هستند.

البته اين‌ها براي نانوحسگرها بيشتر استثناء هستند تا قاعده کلي. در واقع سياست تمام صنايع ساخت حسگر به گونه‌اي است که به نانوحسگرها اولويت و برتري خاصي داده نمي‌شود. يکي از دلايل اين امر آن است که شركت‌‌ها، مشکلات اقتصادي و تکنيکي نانوحسگرها را مهم‌تر از مزاياي آن مي‌دانند.

نانومارکتز اين قبيل مشکلات و موانع  پيشرفت بازار نانوحسگرها را در 5 فاکتور زير خلاصه کرده است.

قيمت بالاي مواد

در ساخت بسياري از نانوحسگرهايي که در آزمايشگاهها توليد مي‌شوند از مواد سمي (مانند نانوذرات طلا) استفاده مي‌گردد که براي کاربرد گسترده مي‌توانند بسيار گران قيمت باشند.

مشکلات توليد با پلاتفرم‌هاي مواد يا فناوري

اصول اوليه فناوري نانوپلاتفرم‌هايي که در ساخت نانوحسگرها کاربرد دارند هنوز جزء مشکلات ساخت به حساب مي‌آيند. براي مثال نيمه‌هادي يا ‌هادي‌بودن نانولوله‌هاي کربني هنوز مورد بحث است و مقالات زيادي وجود دارد که در همگي آنها روش‌هاي مختلفي را به عنوان بهترين روش براي اطمينان يافتن از نيمه‌هادي يا هادي‌بودن نانولوله‌هاي کربني معرفي کرده‌اند.

مشکلات ساخت مرتبط با نانوحسگرها

بسياري از کساني که براي تهيه اين گزارش با آنها مصاحبه شد بر اين نکته تأکيد کردند که راهي طولاني از تهيه مدل‌هاي نانوحسگرها در آزمايشگاه‌هاي صنعتي، تا رسيدن به محصولاتي که در همه جا يافت شده و به‌راحتي خريداري مي‌شوند، وجود دارد. در واقع امروزه بسياري از نانوحسگرها در ابتداي اين راه قرار دارند تا در انتهاي آن.

عدم وجود ارتباط با دنياي واقعي

يکي از زمينه‌هايي که هنوز به نظر مي‌آيد احتياج به تحقيق بسيار، به خصوص از لحاظ تجاري دارد، طريقه برقراري ارتباط بين ابزارهاي دنياي امروزي و نانوحسگرها است. نانومواد و نانوالکترونيک مزاياي زيادي ايجاد مي‌کند که در بالا به آن اشاره شد، اما آنها احتياج به ابزاري دارند که بتواند در اندازه‌هاي نانومتري با آنها ارتباط برقرار کرده و کار کند. اين بدان معني است که تأثيرات نانو مي‌بايست به دستگاه‌هاي با ابعاد بالاتر انتقال داده شود و اين خود به موارد زير احتياج دارد:

(1) سازگاري بسيار بالاي CMOS که در نتيجه مواد حساس در ابعاد نانو و قطعات نانوالکتريکي را بتوان با روش‌هاي معمول ميكروالكترونيك  به صورت يك مدار مجتمع مونتاژ کرد. (2) ايجاد نوعي نرم افزار يا نيمه افزار که توانايي تحليل داده‌هايي که از نانوحسگرها مي‌آيد را داشته باشد، لازم است.

مونتاژ نانوقطعات

 به نظر مي‌آيد مونتاژ نانوقطعات بيشتر از آن‌که به کوشش اقتصادي احتياج داشته باشد به يک برنامه تحقيقاتي نياز دارد. به منظور کاهش قيمت‌ها و گسترش استفاده از آرايه‌هاي بزرگ حسگرها يا توده حسگرها، مي‌بايست فناوري ساخت مدارهاي مجتمع نانومقياس  بهبود پيدا کند.

چرا مسأله زمان؟

مشکلات، بيش از آن‌كه ناشي از فيزيك قضيه باشند، ناشي از نبود فناوري هستند. اين معضلات دقيقاً همان مواردي هستند که تجاري‌شدن بعضي از فناوري‌هاي جديد پيچيده را با مشکل مواجه کرده‌اند. اما اين مسائل با گذشت زمان حل خواهد شد. در واقع فقط يک مشکل باقي مي‌ماند. شرکت نانومارکتز بر اين باور است که آنچه واقعاً مانع پيشرفت بازار نانوحسگرها شده است عدم وجود ايده مشخص و واضحي براي صنايع مي‌باشد که معلوم نمي‌کند به چه مقدار زمان احتياج است تا بازار اين وسايل رونق پيدا کند. اين امر به نوبه خود مشکل بزرگي را براي سرمايه‌دار‌هاي خطرپذير، بانک‌هاي سرمايه‌گذاري، کميته‌هاي شرکت‌هاي داخلي و سرمايه‌گذاران خصوصي ايجاد مي‌کند.

در مطالعات اخيري که انجام شد، ما موضوع زمان حصول نتيجه را در سطوح مختلفي مورد تحليل قرار داديم و به اين نتيجه رسيديم که به علت طبيعت خرد و متنوع بازار نانوحسگرها، پيداکردن جوابي براي مسأله زمان بسيار دشوار است.

البته براي هر بخش از بازار (و طبعاً براي هر دسته از مشتريان اين محصول) جوابي به دست آمده تا بتوان به کمک آن دورنماي کلي از قضيه پيدا کرد؛ هرچند که اين کار زياد خوشايند نيست.

در تحقيق نانومارکتز فرض شده است که نانوحسگرها در 10 بخش مختلف صنعت به کار گرفته شوند در هر بخش کاربرد شبيه به هم را پيدا خواهند کرد (و در اين صنايع از 7 نوع حسگر استفاده شود؛ حسگرهاي گاز، حسگرهاي زيستي و...) و نيز از 8 روش مختلف چه از جنبه موادي استفاده شود (مانند نانوذرات، پوشش‌هاي نانو، اسپينترونيک و...) در نتيجه 560= 8×7×10 نوع محصول و 560 مشتري براي اين بازار به‌دست مي‌آيند. در بررسي رابطة زمان، بر اين باور هستيم که مي‌بايست پتانسيل هر کدام از اين مشتري‌ها را به شکل زير تحليل کنيم.

اختلاف در پذيرش سناريوهاي نانوحسگرها در هر بخش از صنعت

ما تمام بخش‌هاي عمده صنايع مختلف را به منظور احتمال گسترش نانوحسگرها در آنجا مورد بررسي قرار داديم. فاکتورهايي که در نظر گرفته شد به قرار زير بودند: تمايل به پذيرش فناوري جديد، ميزان حساسيت به قيمت تمام‌شده، طول دوره توليد و مهمتر از همه توانايي منحصر به فرد نانوحسگرها که باعث مي‌شود واحد به خصوصي به آنها احتياج مبرم پيدا کند.

زمان انتظار براي پذيرش نانوحسگرها بسيار متفاوت است. براي مثال مدت زماني که طول مي‌کشد تا نانوحسگرها توسط بخش‌هاي اجرايي پزشکي و نظامي پذيرفته شوند بسيار کوتاه است زيرا به حسگرهاي بسيار کوچک و بسيار حساس در اينگونه صنايع احتياج فراوان است. همچنين به نظر مي‌رسد که نانوحسگرها بتوانند مناسب‌بودن قيمتشان را در مقايسه با فناوري‌هاي ديگر به اثبات برسانند. با اين حال پيش‌بيني مي‌شود در صنعت اتومبيل‌سازي پذيرش نانوحسگرها احتياج به زمان طولاني‌تري داشته باشد، زيرا کاربرد آنها در اين صنعت خيلي شفاف نيست و نيز شركت‌هاي اتومبيل‌سازي نسبت به قيمت تمام‌شده در مقايسه با صنايع ديگر حساس‌ترند.

وجود الگوي کاربرد براي حسگرها در هر بخش از صنعت

در بعضي از بخش‌هاي صنايع مثلاً صنعت اتومبيل، هم‌اکنون به صورت گسترده از حسگرها استفاده مي‌شود و احتمال دارد که نانوحسگرها بتوانند جايگزين حسگرهاي کنوني در اين صنعت شوند. اگر بتوان اين صنايع را قانع کرد که استفاده از نانوحسگرها توجيه اقتصادي دارد، ممکن است حسگرهاي خود را بفروشند و به جاي آنها از نانوحسگرها استفاده کنند.

در بخش‌هاي ديگر، ايدة استفاده از تعداد زيادي حسگر ممکن است ايدة تازه‌اي باشد. مثال خوبي که مي‌توان در اينجا ذکر کرد بخش فناوري اطلاعات است. در اينجا هم مشتريان و هم عرضه‌کنندگان به اهميت نقش حسگرها (نانوحسگرها يا حسگرهاي معمولي) در موفقيت اقتصادي گسترده رايانه‌ها پي مي‌برند. اين امر مي‌تواند پتانسيل کاهش نظم [گسترش] نانوحسگرها را در اين بخش ايجاد کند. همچنين الگوي استفاده از انواع حسگرها مي‌بايست در نظر گرفته شود. نانوحسگرهايي که به عنوان آشکارکننده گازها به کار مي‌روند ممکن است در بسياري از بخش‌هاي صنعت جايي براي خود باز کنند ولي نانوحسگرهاي تشعشعي بيشتر براي بخش‌هاي انرژي و نظامي مفيد هستند و نقش ضعيف‌تري را در فناوري اطلاعات بازي مي‌کنند.

تفاوت در توسة پلاتفرم‌هاي مختلف نانوتکنولوژي براي ساخت نانوحسگرها

همچنان که در بالا اشاره کرديم، در بسياري از نانوحسگرهاي امروزي، نانوذرات مختلف از انواع فلزهاي گرانقيمت گرفته تا خاك رس به کار مي‌روند. در اين ميان مي‌توان گفت نانوحسگرهايي که فناوري آنها بر پايه اسپينترونيک و الکترونيک نانولوله‌اي مي‌باشند، در مراحل اوليه تجاري‌شدن قرار دارند. حسگرهاي مبتني بر نقاط کوانتومي نيز در انتهاي مسير فرآيند تجاري‌شدن قرار گرفته‌اند.

برخي از افرادي که براي تهيه اين گزارش با آنها مصاحبه کرديم، اظهار داشتند که از اين نانوحسگرها مي‌توان به عنوان پايه حسگرهاي توده‌اي شکاري استفاده کرد، اما همگي موافق بودند که تجاري‌شدن آنها به دهه بعدي موکول مي‌شود.

با در نظر گرفتن فاکتورهاي فوق و جمع بندي آنها مي‌توان در هر بخش از صنعت، بازار خاصي را براي حسگرها به صورت تخميني در نظر گرفت و حتي اين امکان وجود دارد که بتوان پتانسيل‌هاي آينده نانوحسگرها را در هر بخش از صنعت با اعداد بيان کرد. نه تنها مي‌توان ميزان مصرف نانوحسگرها را در بخش‌هاي مختلف به‌دست آورد بلکه مي‌توان انواع حسگرهايي که بعدها توسط هر بخش به کار گرفته خواهند شد را تعيين کرد.

جدول ذيل بخش‌هايي را نشان مي‌دهد که بر اساس گزارش جديد نانومارکتز مورد تحليل قرار گرفته‌اند.

آناليز نهايي

اين نوع نمايش بازار هم واضح و هم واقع‌گرا است. وضوح آن به اين دليل است که  مواردي واقعي را نشان مي‌دهد که در آن فرصت‌هايي بر پايه معيار سرمايه‌گذاري وجود دارد. ساير معيارها ممکن است نتايج مختلفي بدهند اما در اين مثال خاص فرصت‌هاي چندين بخش کاربردي که در آنها از نانوحسگرها استفاده خواهد شد را نشان نداده‌اند. همچنين واقع گرايي آن به خاطر نشان دادن مقدار واقعي بازارهاي قابل دسترس و موقعيت‌هاي مدل‌هاي تجاري است که مي‌توانند بر پايه آن ايجاد شوند.

شرکت نانومارکتز بر اين باور است که نانوحسگرها، حسگرهاي معمولي را از گردونه رقابت در بازار خارج خواهند ساخت. هر چند پيش‌بيني مي‌کنيم که نانوحسگرها تا سال 2010 بيشتر از 10 درصد بازار حسگرها را به خود اختصاص نداده باشند، ولي اندازه بازار حسگرها به حدي وسيع است که حتي حداقل رشد نانوحسگرها در اين بازار به معني کسب درآمدي معادل چند ميليارد دلار خواهد بود و اين مقدار فقط ظرف مدت چند سال به دست خواهد آمد. در دست داشتن اين مقدار از بازار شانس خوبي را براي رسيدن به چنين هدفي ايجاد مي‌کند.