>> مجموعه مقالات مربوط به کاربردهای فن آوری نانو <<

[Borna66]

با سلام خدمت دوستان عزيز.
در اينجا به معرفي مجموعه مقالات مربوط به کاربردهای فن آوری نانوپرداخته مي شود.
اميدوارم مورد قبول شما عزيزان قرار بگيرد.

[Borna66]

ساختار و مفاهیم كلی نانو تكنولوژی
یكی از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یك میلیاردم واحد آن مقیاس است.برای مثال یك نانومتر معادل یك میلیاردم متر است. با توجه به اینكه یك سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به كوچكی این مقیاس پی برد. از آنجایی كه علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی، فیزیك، بیولوژی، پزشكی، مهندسی و الكترونیك را در بر می گیرد،‌گروه بندی آن بسیار پیچیده است.

یكی از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یك میلیاردم واحد آن مقیاس است.برای مثال یك نانومتر معادل یك میلیاردم متر است. با توجه به اینكه یك سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به كوچكی این مقیاس پی برد. از آنجایی كه علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی، فیزیك، بیولوژی، پزشكی، مهندسی و الكترونیك را در بر می گیرد،‌گروه بندی آن بسیار پیچیده است. دانشمندان، علوم نانو را به چهار گروه شامل مواد (گروه اول)، مقیاسها (گروه دوم)، تكنولوژی الكترونیك، اپتوالكترونیك، اطلاعات و ارتباطات (گروه سوم) و بیولوژی و پزشكی (گروه چهارم) طبقه بندی كرده اند. این طبقه بندی باعث سهولت در بررسی این علوم شده است البته تداخل برخی از بخش ها در یكدیگر طبیعی است. برنامه های توسعه این تكنولوژی به سه بخش كوتاه مدت (كمتر از پنج سال)، میان مدت( بین۱۵-۵ سال) و بلند مدت (بیش از۲۰ سال) تقسیم بندی شده است.
مواد نانو (nanomaterials) قابلیت كنترل ساختار تشكیل دهنده مواد پیشرفته (از فولادهای ساخته شده در اوایل قرن۱۹ تا انواع بسیار پیشرفته امروزی) در ابعاد كوچك و كوچكتر،‌ در اندازه های میكرو و نانو بوده است. هر قدر بتوانیم این مواد را در ابعاد ریزتر و كنترل شده ای تولید كنیم خواهیم توانست مواد جدیدی را با قابلیت و عملكردهای بسیار عالی به دست آوریم.
تاكنون تعاریف متعددی از مواد نانو ارائه شده است اما در یك تعریف جامع می توان گفت موادی در این گروه قرار می گیرند كه یكی از ابعاد اضلاع آنها از۱۰۰ نانومتر كوچكتر باشد. یكی از این گروهها »لایه ها« است. لایه ها یك بعدی هستند كه در دو بُعد دیگر توسعه می یابند مانند فیلم های نازك و پوششها. برخی از قطعات كامپیوتر جزو این گروه هستند. گروه بعدی شامل موادی است كه دارای دو بعد هستند و در یك بعد دیگر گسترش می یابند و شامل لوله ها و سیمها می شوند. گروه مواد سه بعدی در نانو شامل ذرات، نقطه های كوانتمی (ذرات كوچك مواد نیمه هادیها) و نظایر آنها می شوند. دو ویژگی مهم، مواد نانو را از دیگر گروهها متمایز می سازد كه عبارتند از افزایش سطح مواد و تاثیرات كوانتمی. این عوامل می توانند باعث ایجاد تغییرات و یا به وجود آمدن خواص ویژه ای مانند تاثیر در واكنشها، مقاومت مكانیكی و مشخصه های ویژه الكتریكی در مواد نانو شوند. همانگونه كه اندازه این مواد كاهش می یابد، تعداد بیشتری از اتمها در سطح قرار خواهند گرفت. برای مثال، اتم های موادی به اندازه۳۰ نانومتر به میزان۵ درصد،۱۰ نانومتر به میزان۲۰ درصد و۳ نانومتر به میزان۵۰ درصد در سطح قرار دارند. در نتیجه مواد نانو با ذرات كوچكتر در مقایسه با مواد نانو با ذرات بزرگتر دارای سطح بیشتری در واحد جرم هستند. با توجه به ازدیاد سطح در این مواد، تماس ماده با سایر عناصر بیشتر شده و موجب افزایش واكنش با آنها می شود. این عمل منجر به تغییرات عمده در شرایط مكانیكی و الكترونیكی این مواد خواهد شد. برای مثال سطوح بین ذرات كریستالها در بیشتر فلزات باعث تحمل فشارهای مكانیكی بر آن می شود. اگر این فلزات در مقیاس نانو ساخته شوند، با توجه به ازدیاد سطح بین كریستالها، مقاومت مكانیكی آن به شدت افزایش می یابد.
برای مثال فلز نیكل در مقیاس نانو مقاومتی بیشتر از فولاد سخت شده دارد. به موازات تاثیرات ازدیاد سطح، اثرات كوانتمی با كاهش اندازه مواد (به مقیاس نانو) موجب تغییر در خواص این مواد می شود (تغییر در خواص بصری، الكتریكی و جاذبه). موادی كه تحت تاثیر این تغییرات قرار می گیرند ذرات كوانتمی، لیزرهای كوانتمی برای الكترونیك بصری هستند. همانگونه كه بیش از این گفته شد مواد نانو، به سه گروه یك، دو و سه بُعدی طبقه بندی شده اند. مواد نانوی یك بعدی: این مواد شامل فیلم های بسیار نازك و سطوح مهندسی است و در ساخت ابزار الكتریكی و شیمیایی و مدارهای الكترونیكی ساده و مركب كاربرد وسیعی دارند. امروزه كنترل ضخامت لایه ها تا اندازه یك اتم صورت می پذیرد و ساختار این لایه ها حتی در مواد پیچیده ای مانند روانكارها شناخته شده است. لایه های مونو كه قطر آنها به اندازه یك ملكول و یا یك اتم است، در علوم شیمی كاربرد وسیعی دارند. یكی از كاربردهای این لایه ها ساخت سطوحی است كه خود را بازسازی كنند. مواد نانوی دوبعدی: به تازگی كاربرد مواد نانوی دو بعدی در تولید سیم و لوله ها افزایش یافته و توجه دانشمندان را به دلیل وجود خواص ویژه مكانیكی و الكترونیكی به خود جلب كرده است.
در زیر به چند نمونه ساخته شده در این گروه اشاره می شود. نانو لوله های كربنی، CNTs : از رول كردن ورقهای گرافیتی یك یا چند لایه ساخته شده و قطر آنها چند نانو و طولشان چند میكرومتر است.ساختار مكانیكی این مواد مانند الماس بسیار سخت است اما در محورهای خود نرم و تاشو هستند.همچنین این مواد هادی الكتریكی بسیار عالی هستند. نوع غیر عالی نانو لوله های كربنی مانند مولیبید یوم دی سولفاید پس از CNTs ساخته شده است. این مواد دارای ویژگی های منحصر به فردی همچون روانكاری، مقاومت در برابر ضربات امواج شوكها، واكنشهای كاتالیزی و ظرفیت بالا در ذخیره هیدروژن و لیتیم هستند. لوله های مواد پایه اكسیدی مانند اكسید تیتانیم، برای كاربردهای كاتالیزی، كاتالیزرهای نوری و ذخیره انرژی به صورت تجاری به بازار عرضه شده اند. نانو سیمها: این سیمها از قرار گرفتن ذرات بسیار ریز از مواد مختلف به صورت خطی ساخته می شوند. نانوسیمهای نیمه هادی از سیلیكون، نیترات گالیم و فسفات ایندیوم ساخته شده و دارای قابلیتهای بسیار خوب نوری، الكتریكی و مغناطیسی است و نوع سیلیكونی این سیمها می تواند بخوبی در یك شعاع بسیار كوچك بدون آسیب رسانی به ساختار سیم خم شود.
این سیمها برای ثبت مغناطیسی اطلاعات در حافظه كامپیوترها، وسایل نانوالكترونیكی و نوری و اتصال مكانیكی ذرات كوانتمی به كار می روند. بیوپلیمرها: انواع گوناگون بیوپلیمرها، مانند ملكولهای DNA ، در خودسازی نانوسیمها در تولید مواد بسیار پیچیده به كار می روند. همچنین این مواد دارای قابلیت اتصال نانو و بیوتكنولوژی برای ساخت سنسور و موتورهای كوچك هستند. مواد نانوی سه بعدی: این مواد به آن گروه تعلق دارد كه قطری كمتر از۱۰۰ نانومتر داشته باشند. مواد نانوی سه بعدی در اندازه های بزرگتر ساختار متفاوتی داشته و طیف وسیعی از مواد را در جهان تشكیل می دهند و صدها سال است كه به صورت طبیعی در زمین یافت می شوند. مواد تولید شده از عوامل فتوشیمیایی، فعالیت های آتش فشانها، مواد محترق از پختن غذا، مواد متصاعد از احتراق سوخت ماشین ها و مواد آلاینده تولید شده در صنایع جزو این گروه از مواد هستند. این مواد به علت رفتار متفاوت در واكنش های شیمیایی و بصری بسیار مورد توجه قرار دارند. برای مثال اكسید تیتانیوم و روی كه بصورت شفاف و فرانما، جاذب و منعكس كننده نور ماورای بنفش در صفحات خورشیدی به كار می روند در ابعاد نانو هستند.
این مواد كاربردهای بسیار ویژه ای در ساخت رنگها و داروها (به ویژه داروهایی كه تجویز آنها فقط برای یك عضو مشخص بدن و بدون تاثیر بر سایر اعضاست) دارند. مواد نانوی سه بُعدی شامل مواد بسیاری می شود كه به چند نمونه از آنها اشاره می كنیم. كربن۶۰ (فوله رنس Fullerenes) : در اوایل سال۱۹۸۰ گروه جدیدی از تركیبات كربنی بنام كربن۶۰، ساخته شد. كربن۶۰ ، كروی شكل، به قطر۱ نانومتر و شامل۶۰ اتم كربن است كه به علت شباهت ساختار مولكولی آن با گنبدهای كروی ساخته شده توسط مهندس معماری بنام بوخ مینستر فولر بنام »فوله رنس« نامگذاری شد. در سال۱۹۹۰ ، روش های ساخت كوانتم های كربن۶۰ با مقاومت حرارتی میله های گرافیتی در محیط هلیم بدست آمد. این ماده در ساخت بلبرینگ های مینیاتوری و مدارهای الكترونیكی كاربرد وسیعی دارند. دِن دریمرز (Dendrimers) : دن دریمرز از یك ملكول پلیمر كروی تشكیل شده و با یك روش سلسله مراتبی خود سازی تولید می شوند.
انواع گوناگونی از این مواد به اندازه های چند نانومتر وجود دارند. دن دریمرز در ساخت پوششها، جوهر و حمل دارو به بدن كاربرد فراوانی دارند. همچنین در تصفیه خانه ها به منظور بدام انداختن یونهای فلزات كه می توان به وسیله فیلترهای مخصوص از آب جدا شوند از این مواد استفاده می شود. ذرات كوانتمی: مطالعات در مورد ذرات كوانتمی در سال۱۹۷۰ شروع شد و در سال۱۹۸۰ این گروه از مواد نانوی نیمه هادی ساخته شدند. اگر ذرات این نیمه هادی ها به اندازه كافی كوچك شوند، تاثیرات كوانتمی ظاهر شده و می توانند میزان انرژی الكترونها و حفره ها را كاهش دهند. از آنجایی كه انرژی با طول موج ارتباط مستقیم دارد در نتیجه خواص نوری مواد بصورت بسیار حساس قابل تنظیم خواهد شد و می توان با كنترل ذرات، جذب یا دفع طول موج خاص در یك ماده را امكان پذیر ساخت. به تازگی با ردگیری مولكولهای بیولوژی با كنترل سطح انرژی این ماده، كاربردهای جدیدی از آن كشف شده است. در حال حاضر استفاده از مواد نانو رو به افزایش است و به علت خواص بسیار ویژه آنها، تحقیقات در یافتن مواد جدید همچون گذشته ادامه دارد.

[Borna66]

كاربردهاي نانوتكنولو‍ژي در كشاورزي و علوم دامي
خلاصه:نانوتكنولوژي به عنوان يك فناوري قدرتمند، توانايي ايجاد تحول در سيستم كشاورزي و صنايع غذايي آمريكا و سر تاسر دنيا را دارد. نمونه هايي از كاربردها و پتانسيلهاي بالقوه نانوتكنولوژي در كشاورزي و صنايع غذايي، شامل سيستم هاي جديد آزاد كننده دارو براي درمان بيماريها، ابزارهاي جديد بيولوژي سلولي و مولكولي، امنيت زيستي و تضمين سلامتي محصولات كشاورزي و غذايي و توليد مواد جديد مورد استفاده براي شناسايي عوامل بيماريزا و حمايت از محيط زيست مي باشد. تحقيقات اخير، امكان استفاده از نانوشلها و نانوتيوپها را در سيستمهاي جانوري براي تخريب سلولهاي هدف، به روشني ثابت نموده است. امروزه از نانوپارتيكل ها كه اجرام بسيار كوچكتر از حد ميكرون هستند، براي رها سازي داروها و يا ژنها به داخل سلولها استفاده مي كنند و مورد انتظار است كه اين تكنولوژيها در 10 الي 15 سال آتي مورد بهره برداري كامل قرار گيرد. با روند رو به رشد تحقيقات اخير، اين پيش بيني منطقي است كه در دهه آينده، صنعت نانوتكنولوژي با توسعه بي نظير خود، منجر به ايجاد انقلاب عظيم در بخش پزشكي و بهداشت و همچنين توليدات دارويي دام و آبزيان گردد.كلمات كليدي: سيستمهاي آزاد كننده دارو، نانوپارتيكل، نانوتكنولوژي، شناسايي اجرام بيماري زا
مقدمه:نانوتكنولوژي به عنوان يك فناوري قدرتمند نوين، توانايي ايجاد انقلاب و تحولات عظيم را در سيستم تامين مواد غذايي و كشاورزي ايالت متحده آمريكا و در گستره جهاني دارد. نانوتكنولوژي قادر است كه ابزارهاي جديدي را براي استفاده در بيولوژي مولكولي و سلولي و همچنين توليد مواد جديدي، براي شناسايي اجرام بيماري زا معرفي نمايد و بنابراين چندين ديدگاه مختلف در نانوتكنولوژي وجود دارد كه مي تواند در علوم كشاورزي و صنايع غذايي، كاربرد داشته باشد. به عنوان مثال امنيت زيستي توليدات كشاورزي و مواد غذايي، سيستمهاي آزاد كننده دارو بر عليه بيماريهاي شايع، حفظ سلامتي و حمايت از محيط زيست از جمله كاربردهاي اين علم مي باشد.علم نانوتكنولوژي چيست؟ انجمن ملي نوبنياد نانوتكنولوژي كه يك نهاد دولتي در كشور امريكا مي باشد ، واژه نانوتكنولوژي را چنين توصيف مي كند: "تحقيق و توسعه هدفمند، براي درك و دستكاري و اندازه گيريها مورد نياز در سطح موادي با ابعاد در حد اتم"، مولكول و سوپرمولكولها را نانوتكنولوژي مي گويند. اين مفهوم با واحدهايي از يك تا صد نانومتر، همبستگي دارد. دراين مقياس خصوصيات فيزيكي، بيولوژيكي و شيميايي مواد تفاوت اساسي با يكديگر دارند و غالبا اعمال غير قابل انتظار از آنها مشاهده مي شود. در سيستم كشاورزي امروزي، اگردامي مبتلا به يك بيماري خاص شود، مي توان چند روز و حتي چند هفته يا چند ماه قبل علائم نامحسوس بيماري را شناسايي كنند و قبل از انتشار و مرگ و مير كل گله، دامدار را براي اخذ تصميمات مديريتي و پيشگيري كننده آگاه كند و بنابراين مي توان نسبت به مقابله با آن بيماري اقدام نمايد. نانوتكنولوژي به موضوعاتي در مقياس هم اندازه با ويروسها و ساير عوامل بيماري زا مي پردازد و بنابراين پتانسيل بالايي را براي شناسايي و ريشه كني عوامل بيماري زا دارد. نانوتكنولوژي امكان استفاده از سيستمهاي آزاد كننده داروئي را كه بتواند به طور طولاني مدت فعال باقي بماند، فراهم مي كند. به عنوان مثال استفاده از سيستمهاي آزاد كننده دارو، مي توان به ايمپلنتهاي ابداع شده مينياتوري در حيوان اشاره كرد كه نمونه هاي بزاقي را به طور مستمر كنترل مي كنند و قبل از بروز علائم باليني و تب، از طريق سيستمهاي هشدار دهنده وسنسورهاي ويژه، مي تواند احتمال وقوع بيماري را مشخص و سيستم خاص ازاد كننده دارو معيني را براي درمان موثر توصيه كنند. طراحي سيستمهاي آزاد كننده مواد دارويي، يك آرزوي و روياي هميشگي محققان براي سيستمهاي رها كننده داروها، مواد مغذي و پروبيوتيكها بوده و مي باشد. نانوتكنولوژي به عنوان يك فناوري قدرتمند به ما اجازه مي دهد كه نگرشي در سطح مولكولي و اتمي داشته و قادر باشيم كه ساختارهايي در ابعاد نانومتر را بيافرينيم. براي تعيين و شناسايي بسيار جزئي آلودگيهاي شيميايي، ويروسي يا باكتريايي در كشاورزي و صنايع غذايي معمولا از روشهاي بيولوژيكي، فيزيكي و شيميايي استفاده مي گيرد. در روشهاي اخير نانوتكنولوژي براي استفاده توام اين روشها، يك سنسور در مقياس نانو طراحي كرده اند در اين سيستم جديد، مواد حاصل از متابوليسم و رشد باكتريها با اين سنسورها تعيين مي گردد. سطوح انتخابي بيولوژيكي، محيطي هايي هستند كه عمده واكنشهاي و فعل و انفعالات بيولوژيكي و شيميايي در آن محيط انجام مي شود. چنين سطوحي همچنين توانايي افزايش يا كاهش قدرت اتصال ارگانيزمها و ملكولهاي ويژه را دارد. از جنبه هاي كاريردي استفاده از اين سطوح، طراحي سنسورها، كاتاليستها، و توانايي جداسازي يا خالص سازي مخلوطهاي بيومولكولها مي باشد. نانومولكولها موادي هستند كه اخيرا از طريق نانوتكنولوژي به دست آمده اند و يا در طبيعت موجودند و بوسيله اين ساختارها، امكان دستكاريهاي درسطح نانو و تنظيم و كاتاليز واكنشهاي شيميايي وجود دارد. نانو مواد از اجزاي با سايز بسيار ريز تشكيل شده اند و اجزا تشكيل دهنده چنين ساختارهايي بر خواص مواد حاصل در سطح ماكرو تاثير مي گذارد. ساختارهاي كروي توخالي (buckey balls ) كه با نام ديگر فلورن هم شناخته شده اند، مجموعه از اتمهاي كربن متحدالشكل به صورت كروي هستند كه در چنين ساختاري هر اتم كربن به سه اتم كربن مجاورش متصل شده. دانشمندان اكنون به خوبي مي دانند كه چگونه يك چنين ساختاري را به وجود آورند و كاربردهاي بيولوژيكي آن امروزه كاملا شناخته شده است. از جمله كاربردهاي چنين ساختارهايي براي رها سازي دارو يا مواد راديواكتيو در محلهاي مبتلا به عوامل بيماريزا مي باشد. ايده استفاده از60 اتم كربن به جاي 80 اتم، ساختارهاي توخالي را براي آزاد سازي دارو فراهم مي كند. هدف از اين كار در نهايت رسيدن به گروهاي قابل انحلال پپتيدها در آب مي باشد كه نتيجتا اين مولكولها به جريان خون راه پيدا مي كنند. نانوتيوپها ساختارهاي توخالي ديگري هستند كه از دو طرف باز شده اند و گروههاي اتمي ديگري به آنها اضافه شده اند و يك ساختار شش گوشه را تشكيل مي دهند. نانوتيوپها مي توانند به عنوان يك ورقه گرافيت در نظر گرفته شوند كه به دور يك لوله پيچيده شده اند.كاربرد پلي مرهاي سنتزي در داروسازي پيشرفتهاي چشمگيري داشته است. سبكي، نداشتن آثار جانبي و امكان شكل دهي پلي مرها، كاربرد آنها را در زمينه پزشكي و دامپزشكي افزايش داده است. در روشهاي دارورساني مدرن، فرآورده شكل دارويي موثر خود را با يك روند مشخص شده قبلي براي مدت زمان معلوم بطور سيستماتيك به عضو هدف آزاد مي كند. پليمرها نه تنها به عنوان منابع ذخيره دارو و غشا و ماتريكس هاي نگهدارنده عمل مي كنند بلكه مي توانند سرعت انحلال آزاد سازي و تعادل دفع و جذب آزاد را در بدن كنترل كنند.دندريمر(پلي مر) يك طبقه جديد از مولكولهاي سه بعدي مصنوعي هستند كه از مسير و راه نانوسنتزي به دست آمده اند كه اين دندريمرها از تواليها و شاخه اي تكراري حاصل آمده اند. ساختار چنين تركبيباتي از يك درجه بالاي تقارن برخوردار است.نقاط كوانتومي، كريستالهايي در مقياس نانومتري هستند كه اساسا در اواسط 1980 براي كاربردهاي اپتوالكترونيك به كاربرده شدند. آنها در طي سنتز شيميايي در مقياس نانو ايجاد مي شوند و از صدها يا هزاران اتم در نهايت يك ماده نيمه هادي معدني تشكيل شده اند كه اين ماده به اتمها خاصيت فلورنس مي دهد. وقتي يك نقطه كوانتومي با يك پرتو نور برانگيخته مي شود آنها دوباره نور را منتشر مي كنند. ميزان يك طيف نشري متقارن باريك مستقيم به اندازه كريستال بستگي دارد. اين بدان معني است كه اجرام كوانتومي مي توانند به خوبي براي انتشار نور در طول موجهاي مختلف طراحي شوند. نانوشلها يك نوع جديد از نانوذرات كه از هسته دي الكتريك مانند سيليكا تشكيل شده اند كه با يك لايه فلزي فوق العاده نازك(به عنوان مثال طلا) پوشش داده شده اند. نانوشلهاي طلا، داراي خواص فيزيكي مشابه به آنهايي هستند كه از كلوئيدها طلا ساخته شده اند. پاسخهاي نوري نانوشلهاي طلا به طور قابل توجهي به اندازه نسبي هسته نانوذرات و ضخامت لايه طلا بستگي دارد. دانشمندان قادرند نانوشلهايي را بسازند كه ملكولهاي آنتي ژنها بر روي آنها سوار شوند و در مجموع سلولهاي سرطاني و تومورهاي موجود را تحت تاثير قرار دهند. اين ويژگي مخصوصا در رابط با نانوشلها مي باشد كه اين ساختارها قادرند فقط تومورهاي موجود را تحت تاثير قرار دهند و سلولهاي مجاور تومور دست نخورده باقي مي ماند. از طريق حرارتي كه به طور انتخابي در سلولهاي توموري ايجاد مي كند منجر به از بين بردن اين سلولها مي شود.
كاربردهاي نانوتكنولوژي در علوم دامي
سلامتي دامهاي اهلي از جمله مسائلي است كه با اقتصاد دامداريها در ارتباط مي باشد. يك دامپزشك مي نويسد كه "علم نانوتكنولوژي توانايي و پتانسيل بالقوه اي بر روي رهيافتهاي آتي دامپزشكي و درمان دامهاي اهلي خواهد داشت". تامين اقلام غذايي براي دامهاي اهلي همواره با افزايش هزينه و نياز به مراقبتهاي خاص دامپزشكي و تجويز دارو و واكسن همراه بوده است و نانوتكنولوژي توانايي ارائه راهكارهاي مناسب براي حل اين معضلات را دارد.


سيستمهاي سنتيتيك آزاد كننده مواد داروئيامروزه مصرف آنتي بيوتيكها، واكسنها، پروبيوتيكها و عمده داروها از طريق وارد كردن آنها از راه غذا يا آب دامها و يا از راه تزريق عضلاني صورت مي گيرد. رها سازي يك مرحله اي دارو در برابر يك ميكروارگانيزم علارغم تاثيرات درماني و اثرات بازدارنده پيشرفت يك بيماري معمولا با بازگشت مجدد علائم بيماري وتخفيف اثرات دارويي مصرفي همراه است. روشهاي موجود در سطح نانو، قابليت تشخيص و درمان عفونت،اختلالات تغذيه اي و متابوليكي را دارا مي باشد. سيستمهاي سنتتيك رها سازي دارو مي تواند خواص چند جانبه براي حذف موانع بيولوژيكي در افزايش بازده درماني داروي مورد استفاده و رسيدن آن به بافت هدف داشته باشد كه از جمله اين خواص مي توان به موارد ذيل اشاره كرد.1- تنظيم زماني مناسب براي آزاد سازي دارو 2- قابليت خود تنظيمي3- توانايي برنامه ريزي قبليبنابراين در آينده نزديك پيشرفتهاي بيشتر تكنولوژي امكانات زير را فراهم مي كند:1- توسعه سيستمهاي سنتيتيك رها سازي داروها،پروبيوتيكها، مواد مغذي2- افزايش سرعت شناسايي علائم بيماري و كاربرد روشهاي درماني سريع3- توسعه سيستمهاي رها سازي اسيدهاي نوكلئيك و مولكولهاي DNA4- كاربرد نانومولكولها در توليد واكسنهاي داميتشخيص بيماري و درمان دامهاتصور امكان تزريق نانوپارتيكها به دامها و فعال شدن تدريجي ماده موثر همراه با اين نانوذرات در بدن حيوان براي از بين بردن و تخريب سلولهاي سرطاني، افق تحقيقاتي جديدي را به روي محققان بازكرده است. محققان دانشگاه رايس مراحل مقدماتي كاربرد نانوشلها را براي تزريق به جريان خون ارزيابي كردند. اين ذرات نانو به گيرنده هاي غشاسلولهاي سرطاني متصل مي شوند و با ايجاد امواج مادون قرمز باعث بالا رفتن دماي سلولهاي مذكور به 55 درجه و تركيدن و از بين رفتن تومورهاي موجود مي گردند. همچنين نانوپارتيكهايي كه از اكسيدهاي آهن ساخته مي شوند، با ايجاد امواج مگنتيك در محل استقرار سلولهاي سرطاني باعث از بين بردن اين سلولها مي شوند. يكي از اساسي ترين محورهاي تحقيقاتي كنوني، توسعه سيستمهاي رها سازي DNA غيرزنده، با بازدهي مناسب و با حداقل هزينه و عوارض جانبي و سمي مي باشد، كه در ژن درماني مورد استفاده قرار مي گيرند. اصلاح نژاد داممديريت تلاقي و زمان مناسب جفتگيري دامها، از جمله مواردي است كه در مزارع پرورش گاوشيرده به هزينه و زمان طولاني نياز دارد. از راهكارهايي كه اخير مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از نانوتيوپها خاص در داخل پوست مي باشد كه زمان واقعي پيك هورمون استروژن و وقوع فحلي را دار دامها نشان مي دهد و لذا با علائمي كه سنسورهاي موجود به دستگاه مونيتور مي فرستد، زمان دقيق و واقعي تلقيح را به دامدار نشان مي دهد.
منبع: پارس بيولوژي

[Borna66]

رفع چسبندگي سيستم‌هاي جداسازي با کليد‌هاي مولکولي
ابزارهاي ميکروسيالاتي با عبور دادن مولکول‌ها از ميان مجراهاي نانومقياسي که روي يک بستر پليمري حک شده‌اند، مولکول‌ها را شناسايي و از هم جدا مي‌کنند. ولي مواد زيستي به اين کانال‌ها چسبيده و آنها را مسدود مي‌نمايند، بدين ترتيب کارآيي سيستم پايين مي‌آيد.محققان موسسه پلي‌تکنيک Rensselaer (RPI) براي حل اين مشکل ماده‌اي يافته‌اند: ماده‌اي که با تابش نور از حالت لغزنده به حالت چسبنده تبديل مي‌شود.اين ماده يک نوع پليمر مي‌باشد و زماني که در معرض نور ماوراي بنفش قرار مي‌گيرد، به يک ماده لغزنده‌تر از تفلون تبديل شده و باعث مي‌شود موادي که بر روي آن چسبيده‌اند، جدا شوند. اين خاصيت موجب مي‌گردد که حتي کانال‌هاي ميکروسيالاتي که کاملاً مسدود مي‌باشند، پاک شوند.محققان پيش‌بيني مي‌کنند اين پليمر براي جداسازي پروتئين‌ها از سيستم‌هاي زيستي که معمولاً موجب گرفتگي حفرات فيلترهاي معمولي مي‌گردند، مفيد خواهند بود. غشاهاي پليمري به طور وسيعي براي جداسازي زيستي و همچنين در ابزارهاي ميکروسيالاتي به کار مي‌روند، اما مسدود شدن حفرات آنها موجب کوتاهي عمر آنها مي‌گردد. پروفسور Georges Belfort استاد RPI با بررسي پليمرهايي که ويژگي‌هاي سطحي آنها تغيير مي‌کنند، دريافت، اين تغييرات موجب مي‌شود بدون استفاده از حلال‌هاي قوي، و يا بدون آنکه نياز به جايگزيني کل سيستم باشد، مي‌توان آنها را تميز کرد.اين ماده جديد مبتني بر پلي اتر سولفون مي‌باشد و سطح آن با يک ماده قابل تغيير با نور به نام اسپيروپيران اشباع شده است. اسپيروپيران يک کليد مولکولي است که وقتي در معرض تابش نور ماوراي بنفش قرار مي‌گيرد، از حالت کاملاً غيرفعال و بدون بار، به حالت کاملاً فعال و بسيار قطبي تبديل مي‌شود.مطابق گفته محققان، زماني که اين مولکول به حالت قطبي درمي‌آيد، مي‌توان مواد چسبيده را با استفاده از آب به راحتي شست. تابش ماوراي بنفش دوم، آن را به حالت اوليه غيرقطبي برمي‌گرداند.اين مؤسسه اختراعي در زمينه نحوه اشباع نمودن PES با اسپيروپيران ثبت کرده است.محققان پيش‌بيني مي‌کنند، علاوه بر استفاده از اين ماده در سيستم‌هاي «آزمايشگاه بر روي تراشه»، مي‌توان از آن براي غشاهاي جداسازي مواد زيستي و رهايش زمان‌بندي شده دارو بهره برد. در سيستم‌هاي ميکروسيالاتي مي‌توان با استفاده از اين ماده دريچه‌هايي ساخت که از طريق ايجاد چسبندگي سلول‌ها به مجراي اين دريچه و يا نچسبيدن آنها، عبور سلول‌هاي منفرد را کنترل نمود.

[Borna66]

توليد سطوح ابرآبگريز با استفاده از نانوتمشک‌ها
محققان دانشگاه فناوري آيندهوون در هلند با تقليد از برگ گياه نيـلوفر آبي، ساختارهـايي با برجستگي‌هاي داراي دو انـدازة (Dual-sized) متفاوت توليد نموده‌اند که سطوح آبگريز بسيار قوي را ايجاد نمايند. اين روکش از ذرات تمشک مانند سيليکا که بر روي يک فيلم پليمري اپوکسي نشانده شده‌اند، تشكيل شده است.Weihua Ming يکي از اين محققان مي‌گويد: ”طبيعت بزرگ‌ترين معلم انسان است. به عنوان مثال، برجستگي‌هاي دواندازه‌اي سطح برگ نيلوفر آبي، يک ابرآبگريز خوب مي‌باشد. در عين حال، ميوة تمشک به طور طبيعي داراي شکل‌بندي دواندازه‌اي مي‌باشد. ما به سادگي اين دو ويژگي را از اين دو محصول اتخاذ نموده و فيلم‌هاي ابرآبگريز خود را توليد نموديم“. اين محققان معتقدند که ساخت فيلم‌هاي آنها ساده‌تر و ارزان‌تر از سيستم‌هاي ابرآبگريز ديگر بوده و استحکام آنها نيز بيشتر مي‌باشد، در نتيجه اين فيلم‌ها براي بسياري از کاربردها مناسب مي‌باشند.Ming مي‌گويد: ”ما روشي ساده براي توليد ساختارهاي ميکرو و نانو به صورت کنترل شده گزارش نموده‌ايم. استفاده از مواد معمولي و شيمي ساده، بسياري از کاربردها را براي اين روش امکان‌پذير ساخته است.“Ming و همکارانش براي ساخت اين روکش، از طريق متصل نمودن ذرات سيليکاي داراي گروه عاملي آمين به قطر 70 نانومتر، به سطح ذرات سيليکاي داراي گروه عاملي اپوکسي با قطر 700 نانومتر، ذرات سيليکاي شبيه تمشک را توليد كرده‌اند. اين تيم از طريق ايجاد واکنش بين گروه آميني و گروه اپوکسي و ايجاد پيوند کووالانسي، اين نانوذرات را به هم متصل كرده‌اند به اين ترتيب كه هر ذره بزرگ‌تر به چندين ذره کوچک‌تر متصل مي‌شود.




θe: زاویه تماس در حالت ایستا؛ θa: زاويه تماس پيشروي؛ θr : زاويه تماس پسروي


سپس اين محققان اين تمشک‌ها را به فيلم پليمري داراي پيوندهاي عرضي، که از يک سيستم آمين-اپوکسي تشکيل شده بود، پيوند دادند. پيوندهاي آميني معلق در سطح تمشک‌ها به گروه‌هاي اپوکسي پليمر متصل شدند. آنان در نهايت براي ايجاد آبگريزي، سطح فيلم را با لايه‌اي از پلي(دي‌متيل سيلوکسان) (PDMS) پوشانده‌اند.



تصاوير AFM حاصل از فيلم‌هاي ابرآب‌گريز شامل ذرات مبتني بر سيليکا


زاوية تماس پيشروي (Advancing Contact Angle) (ACA) فيلم‌هاي ابرآبگريز توليد شده با آب، 165 درجه، و زاوية غلطش براي يک قطره 10 ميکروليتري از آب، حدود 3 درجه بود. بدون حضور PDMS، زاويه تماس پيشروي براي آب 22 درجه، يعني کمتر از مقدار اين زاويه براي سطح اپوکسي صاف (66 درجه) بود. اين امر نشان مي‌دهد که براي داشتن يک سطح ابرآبگريز هم به يک ساختار دواندازه‌اي و هم به يک لاية آبگريز (PDMS) نياز مي‌باشد. زاوية تماس پيشروي براي يک سطح صاف اپوکسي که با PDMS تغيير يافته باشد، 107 درجه مي‌باشد.Ming مي‌گويد: ”از آنجايي که امکان کنترل سادة اندازة ذرات تمشک مانند وجود دارد، مايليم تا بررسي‌هاي بيشتري بر روي رابطة مابين بافت سطح و ويژگي‌هاي ترشدن انجام دهيم. ما همچنين مطالعاتي در زمينة امکان توليد فيلم‌هاي ابرچربي‌گريز با اين روش انجام خواهيم داد.“اين محققان نتايج کار خود را در مجلة NanoLetters به چاپ رسانده‌اند.

[Borna66]

استفاده از نانوتكنولوژي در فراوري مواد معدني
مقدمه
امروزه فناوري نانو به عنوان يك چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان است. در سال هاي اخير مشخصات سايز محصولات براي مواد پيشرفته به شكل بسيار چشمگيري ريز شده است كه در بعضي اوقات به محدوده نانو سايز مي رسد لذا استفاده از نانوتكنولوژي در رسيدن به اين هدف بسيار مفيد و كارا خواهد بود. در نانوتكنولوژي شما قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهيد بود كه در طبيعت موجود نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجاد آن مي باشد. برخي از مزاياي اين فناوري را مي توان توليد مواد قوي تر، قابل برنامه ريزي و كاهش هزينه هاي فعاليت برشمرد. تعريف نانوفناوري بر اساس برنامه پيشگامي ملي آمريكا (يك برنامه تحقيق و توسعه دولتي جهت هماهنگي ميان تلاش هاي صورت گرفته از طرف حوزه هاي علمي، مهندسي و فناوري) عبارتست از:

• توسعه علمي و تحقيقاتي در سطوح اتمي، مولكولي يا ماكرومولكولي، در محدوده اندازه هاي طولي از ۱ تا ۱۰۰ نانومتر.
• ساخت و كاربرد ساختارها، تجهيزات و سيستم هايي كه به علت ابعاد كوچك و يا متوسط خود داراي ويژگي ها و كاركردهاي نوين و منحصر به فردي هستند.
• توانايي كنترل و اداره كردن [مواد و فرآيندها] در ابعاد اتمي

نانوفناوري اشاره به تحقيقات و توسعه صنعتي در سطوح اتمي، مولكولي و ماكرومولكولي دارد. اين تحقيقات با هدف ايجاد و بهره برداري از ساختارها و سيستم هايي صورت مي گيرند كه به واسطه اندازه كوچك خود داراي خواص و كاربردهاي منحصر به فردي باشند.
تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوري هاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است كه در اين فناوري مورد استفاده قرار مي گيرند. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوري هاي ديگر به صورت قابل ارزيابي بيان نماييم، مي توانيم وجود عناصر پايه را به عنوان يك معيار ذكر كنيم. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانومقياسي هستند كه خواص آنها در حالت نانومقياس با خواص شان در مقياس بزرگتر تفاوت مي كند. به علت توسعه خواص پودرهاي بسيار ريز نظير شيمي سطح، خواص تراكم، مقاومت، خواص نوري و واكنش‏هاي سينيتيكي و همچنين افزايش تقاضا براي پودرهاي ريز در صنايع، خردايش بسيار ريزتر در بسياري از رشته‏ها مانند كاني‏ها، مواد سراميكي، رنگدانه‏ها، محصولات شيميايي، ميكروارگانيسم‏ها، داروشناسي و كاغذسازي استفاده مي‏شود. به عنوان مثال، پودر سنگ آهك به عنوان پركننده در پلاستيك‏ها جهت بهبود مقاومت در برابر گرما، سختي، استحكام رنگ و پايداري مواد به كار گرفته مي‏شود.
اين ماده همچنين در كاغذسازي به عنوان پوشش و پركننده جهت توليد كاغذهاي روشن با مقاومت مناسب در برابر زردي و كهنگي و همچنين جهت سنگ آهك قابليت چاپ، پذيرش جوهر و صافي و همواري كاغذ كاربرد فراواني دارد. لذا خردايش بسيار ريز پودر سنگ آهك، به شكل وسيعي در نقاشي، رنگدانه‏ها، مواد غذايي، پلاستيك‏ها و صنايع داروشناسي، به عنوان مواد پركننده كاربرد دارد.

تاريخچه فناوري نانو
در طول تاريخ بشر از زمان يونان باستان، مردم و به خصوص دانشمندان آن دوره بر اين باور بودند كه مواد را مي توان آنقدر به اجزاي كوچك تقسيم كرد تا به ذراتي رسيد كه خردناشدني هستند و اين ذرات بنيان مواد را تشكيل مي دهند، شايد بتوان دموكريتوس فيلسوف يوناني را پدر فناوري و علوم نانو دانست چرا که در حدود ۴۰۰ سال قبل از ميلاد مسيح او اولين كسي بود كه واژه اتم را كه به معني تقسيم نشدني در زبان يوناني است براي توصيف ذرات سازنده مواد به كار برد.
با تحقيقات و آزمايش هاي بسيار، دانشمندان تاکنون ۱۰۸ نوع اتم و تعداد زيادي ايزوتوپ كشف كرده اند. آنها همچنين پي برده اند كه اتم ها از ذرات كوچكتري مانند كوارك ها و لپتون ها تشكيل شده اند. با اين حال اين كشف ها در تاريخ پيدايش اين فناوري پيچيده زياد مهم نيست.
نقطه شروع و توسعه اوليه فناوري نانو به طور دقيق مشخص نيست. شايد بتوان گفت كه اولين نانوتكنولوژيست ها شيشه گران قرون وسطايي بوده اند كه از قالب هاي قديمي براي شكل دادن شيشه هايشان استفاده مي كرده اند. البته اين شيشه گران نمي دانستند كه چرا با اضافه كردن طلا به شيشه رنگ آن تغيير مي كند. در آن زمان براي ساخت شيشه هاي كليساهاي قرون وسطايي از ذرات نانومتري طلا استفاده مي شده است و با اين كار شيشه هاي رنگي بسيار جذابي به دست مي آمده است. اين قبيل شيشه ها هم اكنون در بين شيشه هاي بسيار قديمي يافت مي شوند. رنگ به وجودآمده در اين شيشه ها برپايه اين حقيقت استوار است كه مواد با ابعاد نانو داراي همان خواص مواد با ابعاد ميكرو نمي باشند.
در واقع يافتن مثال هايي براي استفاده از نانو ذرات فلزي چندان سخت نيست. رنگدانه هاي تزييني جام مشهور ليکرگوس در روم باستان (قرن چهارم بعد از ميلاد) نمونه اي از آنهاست.
اين جام هنوز در موزه بريتانيا قرار دارد و بسته به جهت نور تابيده به آن رنگ هاي متفاوتي دارد. نور انعکاس يافته از آن سبز است ولي اگر نوري از درون آن بتابد، به رنگ قرمز ديده مي شود. آناليز اين شيشه حکايت از وجود مقادير بسيار اندکي از بلورهاي فلزي ريز۷۰۰ (nm) دارد، که حاوي نقره و طلا با نسبت مولي تقريبا ۱۴ به يك است حضور اين نانوبلورها باعث رنگ ويژه جام ليکرگوس گشته است.
در سال۱۹۵۹ ريچارد فاينمن مقاله اي را درباره قابليت هاي فناوري نانو در آينده منتشر ساخت. باوجود موقعيت هايي كه توسط بسياري تا آن زمان كسب شده بود، ريچارد. پي. فاينمن را به عنوان پايه گذار اين علم مي شناسند. فاينمن كه بعدها جايزه نوبل را در فيزيك دريافت كرد در آن سال در يک مهماني شام كه توسط انجمن فيزيک آمريكا برگزار شده بود، سخنراني كرد و ايده فناوري نانو را براي عموم مردم آشكار ساخت. عنوان سخنراني وي «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» بود. سخنراني او شامل اين مطلب بود كه مي توان تمام دايره المعارف بريتانيكا را بر روي يك سنجاق نگارش كرد. يعني ابعاد آن به اندازه۲۵۰۰۰/۱ابعاد واقعيش كوچك مي شود. او همچنين از دوتايي كردن اتم ها براي كاهش ابعاد كامپيوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد كامپيوترها بسيار بزرگتر از ابعاد كنوني بودند اما او احتمال مي داد كه ابعاد آنها را بتوان حتي از ابعاد كامپيوترهاي كنوني نيز كوچكتر كرد. او همچنين در آن سخنراني توسعه بيشتر فناوري نانو را پيش بيني كرد.

كاربرد فناوري نانو
فناوري نانو به سه زير شاخه بالا به پايين، پايين به بالا (روش هاي ساخت) و نانو محاسبات (روش هاي مدل سازي و شبيه سازي) تقسيم بندي مي شوند كه هر كدام از اين روش ها نيز به شاخه هاي گوناگون تقسيم مي شوند.
كاهش اندازه ميكرو ساختاري مواد موجود مي تواند تاثيرات بزرگي را به وجود آورد. مثلاً همان طور كه اندازه دانه يا كريستال در يك فلز به سمت نانو مقياس حركت مي كند، نسبت اتم هاي موجود بر روي مرزهاي دانه هاي اين جسم جامد افزايش پيدا مي كند و آنها رفتاري كاملاً متفاوت از اتم هايي كه روي مرز نيستند بروز مي دهند. رفتار آنها شروع به تحت تاثير قرار دادن رفتار ماده مي كنند و در نتيجه در فلزات، افزايش استحكام، سختي، مقاومت الكتريكي، ظرفيت حرارتي ويژه، بهبود انبساط حرارتي و خواص مغناطيسي و كاهش رسانايي حرارتي ديده مي شود.
در اختلاط شديد از انواع همزن هاي دور بالا، همگن سازها، آسياب هاي كلوييدي و غيره مي توان براي تهيه قطرات ريز يك مايع در مايع ديگر (نانو كپسول ها) سود جست. البته عوامل فعال سطحي (خودآرايي) نقش كليدي در ايجاد و پايداري اين نانو امولسيون ها دارد.
در روش استفاده از آسياب گلوله اي با آسيا و يا پودر كردن مي توان براي ايجاد نانو ذرات استفاده كرد. خواص نانو ذرات حاصل تحت تاثير نوع ماده آسياكننده، زمان آسيا و محيط اتمسفري آن قرار مي گيرد. از اين روش مي توان براي توليد نان ذراتي از مواد استفاده كرد كه با روش هاي ديگر به آساني توليد نمي شوند. البته آلودگي حاصل از مواد محيط آسياب كننده هم مي تواند مشكل ساز باشد.
نانو ذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي شوند. معمول ترين آنها نانو ذرات سراميكي بوده كه به بخش سراميك هاي اكسيد فلزي (نظير اكسيدهاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن و نانو ذرات سيليكاتي (عموماً به شكل ذرات نانو مقياسي رس) تقسيم مي شود. طبق تعريف حداقل بايد يكي از ابعاد آنها كمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. نانو ذرات سراميكي فلزي يا اكسيد فلزي معمولاً اندازه يكساني از دو يا سه نانو متر تا ۱۰۰ نانو متر – در هر سه بعد دارند شايد شما انتظار داريد كه چنين ذرات كوچكي در هوا معلق بمانند اما در واقع آنها به وسيله نيروهاي الكترواستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي كنند. كاربردهاي بازارپسند اين نانو مواد بسيار زياد است.
خردايش يك فرآيند منحصر به فردي است كه در محدوده وسيعي از كابردهاي صنعتي جهت توليد ذرات ريز كاربرد دارد اما بسيار مشكل است كه توسط خردايش، ذرات را به سايز بسيار ريز تبديل كنيم و علاوه بر اين، خردايش بسيار ريز به علت ظرفيت پايين آسيا و مصرف انرژي بالا، بسيار گران است.
بنابراين افزايش در كارآيي خردايش، تاثير مفيد اساسي بر روي مصرف انرژي خردايش و هزينه خواهد داشت. براي رسيدن به اين هدف، انتخاب آسياي مناسب و عمليات در شرايط بهينه آسيا كردن لازم و ضروري به نظر مي‏رسد. در اين جهت از آسيای سانتريفيوژ استفاده می شود كه، يك آسياي با قدرت بالا بوده و مي‏تواند جهت خردايش بسيار ريز مواد مورد استفاده قرار گيرد.
اين آسيا با به كارگيري نيروهاي سانتريفيوژ توليد شده توسط دوران محور لوله آسيا در يك چرخه فعاليت مي‏كند.
همچنين در فناوري نانو ميتوان توسط فرآيند شيمی مکانيکی ترکيبات اكسي فلورايد لانتانيوم (Loaf) را در حد سايز بسيار ريز نانو به دست آورد. اكسي فلورايد لانتانيوم مي تواند يك فعال كننده، ماده ميزبان فسفر، كاتاليزور براي جفت شدن اكسايشي متان و يا اكسايش هيدروژن زدايي متان باشد. اين ماده توسط دو روش مهم تركيب مي شود. اولين شيوه، فرآيند تركيبي حالت جامد تحت فشار و حرارت بالا بوده و فعل و انفعالات مستقيمي را در بين مواد موجب مي شود و ديگري فرآيند electro_winning است كه جهت آماده سازي به يك محلول آبدار و يا يك نمك گداخته نياز دارد. در اين روش هاي تركيبي، از فلورايد لانتانيوم يا آمونيوم فلورايد به عنوان يك منبع فلورايد مورد استفاده قرار مي گيرد كه طبعاً داراي هزينه بالايي نيز است.
روش جايگزين ديگر جهت تركيب مواد كاربردي بدون استفاده از گرما مي باشد. در اين روش تنها از يك دستگاه خردايش با قدرت بالا نظير آسياي Planetary استفاده مي شود، به طوري كه در اين روش مسائل آلودگي هاي زيست محيطي به حداقل رسيده و دليل آن عدم وجود مواد مضري چون فلوئورين در گازهاي خروجي آن است. جهت جلوگيري از وجود ناخالصي هاي ناشي از پوشش گلوله هاي مورد استفاده در آسيا در زمان خردايش، از گلوله هاي از جنس زيركنيوم استفاده مي شود كه در مقابل سائيدگي مقاوم است.

تهيه: مهسا شهبازي
منبع: سایت مهندسی معدن

[Borna66]

استفاده از نانو مواد در باتری های لیتیومی
مواد نانوساختار به دليل سطح تماس زياد، تخلخل و. . . بسيار مورد توجه صنعت باتري‌هاي ليتيومي قرار گرفته‌اند. اين مشخصات امکان انجام واکنش‌هاي فعال جديد، کاهش مسير انتقال يون‌هاي ليتيوم، کاهش سرعت جريان سطح ويژه و بهبود پايداري و ظرفيت ويژه باتري‌هاي جديد را فراهم کرده است. علاوه بر اين، مواد نانوکامپوزيتي که براي مسيرهاي هادي الکتروني طراحي مي‌شوند، مي‌توانند مقاومت داخلي باتري‌هاي ليتيومي را کاهش داده، سبب افزايش ظرفيت ويژه، حتي در سرعت جريان‌هاي شارژ/ تخليه بالا شوند.

نانومواد به طور گسترده در علوم زيستي، فناوري اطلاعات، محيط زيست و ديگر زمينه‌هاي مرتبط استفاده گسترده‌اي دارند. اخيراً مواد نانوساختار توجه پژوهشگران براي کاربرد در تجهيزات ذخيره انرژي[1 و 2] به خصوص در انواعي که سرعت جريان شارژ و تخليه بالايي دارند، مثل باتري‌هاي ليتيومي، جلب کرده‌اند[3]. توسعه تجهيزات ذخيره انرژي با توان و دانستيه انرژي بالاتر، کليد موفقيت وسايل نقليه الکتريکي و الکتريکي هيبريدي (EV وHEV) است[ 4 و 5] و انتظار مي‌رود جايگزين حداقل بخشي از وسايل نقليه امروزي شده، مشکلات آلودگي هوا و تغييرات اقليمي را رفع کند. اين فناوري‌هاي ذخيره انرژي متکي به علوم مواد جديد هستند که به عنوان نمونه مي‌توان از توسعه الکترودهايي نام برد که قابليت شارژ و تخليه در سرعت جريان بالا را دارند.
باتري‌هاي ليتيومي قابل شارژ شامل يک الکترود مثبت (کاتد)، الکتروليت حاوي يون‌هاي ليتيوم و يک الکترود منفي (آند) هستند (شکل 1) . جنس الکترودهاي مثبت و منفي اغلب باتري‌هاي تجاري ليتيومي به‌ترتيب از LiCoO2 و گرافيت است که هر دو به عنوان جايگاه‌هاي تبادل يون‌هاي ليتيوم عمل مي‌کنند. در حين فرايند شارژ کردن باتري، يون‌هاي ليتيوم از الکترود LiCoO2 جدا، همزمان به وسيله الکترودگرافيت جذب شده و با گرفتن الکترون‌ بار کلي را خنثي نگه مي‌دارند. در حين فرايند تخليه باتري، يون‌هاي ليتيوم از الکترود منفي خارج و در همان زمان بر روي الکترد مثبت جاي مي‌گيرند.
اين فرايند الکتروشيميايي، يک واکنش اکسيد- احياي حالت جامد است که طي آن، انتقال الکتروشيميايي بار بين يون‌هاي متحرک و ساختار يک جامد هادي يون و الکترون‌ صورت مي‌گيرد. معمولاً حالت مطلوب آن است که مقدار انرژي ذخيره شده در واحد جرم يا حجم باتري تا حد ممکن بالا باشد. براي مقايسه محتواي انرژي باتري‌هاي ليتيومي، از پارامتر دانستيه ويژه انرژي ( Wh/Kg) و دانستيه انرژي (Wh/l ) استفاده مي‌شود؛ در حالي که قابليت سرعت، برحسب دانستيه ويژه توان ( Wh/Kg) و دانستيه توان (Wh/Kg ) بيان مي‌شود. براي HEVها دانستيه ويژه انرژي مورد نياز و دانستيه ويژه توان باتري‌هاي ليتيومي بايد به‌ترتيب 50Kw/kgبيش از3Wh/Kgو باشد؛ حال آنکه EVها مقادير خيلي بيشتري نياز دارند، پس به نظر مي‌رسد الکترودهاي نانوساختار اميد بخش‌ترين مسير براي رسيدن به اين هدف هستند.
به طول کلي مزاياي بالقوه الکترودهاي نانوساختار را مي‌توان به شرح زير خلاصه کرد:
1. واکنش‌هاي جديد که امکان انجام آنها با مواد توده‌اي وجود ندارد؛
2. سطح تماس زياد الکترود- الکتروليت که منجر به سرعت بيشتر شارژ و تخليه مي‌شود؛
3. مسير انتقال کوتاه‌تر الکترون‌ها و يون‌هاي ليتيوم (که امکان عمل در هدايت پايين يون‌هاي ليتيوم و الکترون‌ها يا در توان‌هاي بالاتر را فراهم مي‌کند) .
در اين مقاله برخي از نتايج تجربي اخير را که نشان‌دهنده مزاياي الکترودهاي نانوساختار است، مرور مي‌کنيم.

واکنش‌هاي جديد
در سال‌هاي اخير تلاش‌هاي زيادي در زمينه تحقيق بر روي موادي صورت گرفت که به نظر مي‌رسد در حالت توده‌اي از نظر الکتروشيميايي غيرفعالند، ولي عملکرد الکتروشيميايي خوبي در مقياس نانو از خود بروز مي‌دهند. به عنوان مثال، نانوذرات اکسيد، سولفيد، فلوئوريد و نيتريد برخي از فلزات واسطه مي‌توانند به عنوان آند در باتري‌هاي ليتيومي به‌کار روند. واکنش اين ترکيبات با ليتيوم منجر به تشکيل نانوذرات جاسازي شده در بستر LizX مي‌شود (X مي‌تواند N، F، S يا O باشد) .
فلزات واسطه با ليتيوم آلياژ فلزي تشکيل نمي‌دهند؛ بنابراين، سازوکار واکنش‌پذيري ليتيوم با فرايندهاي استخراج – الحاق ليتيوم يا آلياژ شدن ليتيوم متفاوت است. فرايند متداول استخراج- الحاق ليتيوم در شکل 1 نشان داده شده است؛ در حالي که واکنش آلياژ شدن ليتيوم به صورت زير نوشته مي‌شود:
1)
که M مي‌تواند Sn، Si، Pb، Bi، Sb، Ag، Al يا يک آلياژ مرکب باشد. در عوض، سازوکار واکنش ترکيبات فلزات واسطه با Li در حين فرايند شارژ و تخليه، شامل تشکيل و رسوب LizX به همراه احيا و اکسيد شدن نانوذرات فلزي است.
مکانيسم کلي به وسيله معادله زير توصيف مي‌شود [ 4 و 6 و7 ]:
2)
که M در اينجا يک فلز واسطه مانند Fe، Co، Ni، Cu و. . . است. همان طور که در اين معادلات ديده مي‌شود، تفاوت اصلي بين معادلات 1 و 2 تشکيل و رسوب LizX يا آلياژي از ليتيوم است.
در يک مطالعه اصولي، Poizot و Coauthors [7[ نشان دادند که الکترودهاي ساخته شده از نانوذرات اکسيد عناصر واسطه در هنگام شارژ يا تخليه با پتانسيل 5/3 تا 01/0 ولت (نسبت بهLi+/Li )، مي‌توانند ظرفيت ويژه 700mah/g با ماندگاري ظرفيت 100 درصد براي حدود صد بار عمل شارژ/ تخليه و سرعت جريان بالاي شارژ مجدد داشته باشند. ظرفيت بالاي ذخيره ليتيوم در نانوذرات اکسيد فلزي واسطه در پتانسيل کم به وسيله سازوکار بين‌سطحي ذخيره بار تفسير مي‌شود[8 و9]. مطابق اين مدل، يون‌هاي ليتيوم بر روي بخش اکسيدي سطح مشترک ذخيره مي‌شوند؛‌ در حالي که الکترون‌ها با استقرار بر روي بخش فلزي، منجر به جدايي بار مي‌شوند. بر اين اساس، محدود کردن اندازه ذرات فلزي، فعاليت الکتروشيميايي آنها را در تشکيل و رسوب دادن Li2O افزايش مي‌دهد. با کاهش اندازه ذره، سهم تعداد کل اتم‌ها در نزديکي سطح يا روي آن افزايش مي‌‌يابد که اين امر واکنش‌پذيري الکتروشيميايي ذرات را بيشتر و مؤثرتر مي‌کند. اين بررسي‌ها علت وابستگي زياد کارايي اين مواد به درجه تجمع و به هم پيوستگي آنها را نشان مي‌دهد. به طور نمونه، kim و همکارانش[10]، اخيراً نشان دادند که ذرات SnO2 با قطر سه نانومتر نسبت به ذرات چهار تا هشت نانومتري، ظرفيت قابل توجه و پايداري چرخه بيشتري دارند؛ زيرا توزيع اين مواد در بستر Li2O مناسب‌تر است که اين امر منجر به تجمع کمتر نانوذرات Sn در خوشه‌هاي اتمي مي‌شود.
الکترودهاي نانوساختار نه تنها قادر به انجام برخي واکنش‌هاي جديد هستند؛ بلکه مي‌توانند خواص الکتروشيميايي نظير ظرفيت ويژه ذخيره انرژي، توانايي جريان شارژ/ تخليه بالا و پايداري چرخه را نسبت به نمونه‌هاي معمولي بهبود بخشند. اين امر از مسير نفوذ کوتاه‌تر و سطح تماس زياد بين مواد فعال و الکتروليت ناشي مي‌شود. نفوذ يون‌هاي ليتيوم شديداً به طول مسير انتقال و مکان‌هاي قابل دسترسي به روي سطح مواد فعال بستگي دارد. ترکيباتي که داراي ضريب نفوذ ليتيوم کمتري هستند معمولاً در حالت توده و به خصوص در سرعت‌هاي جريان بالا، ظرفيت ذخيره ليتيوم کمتري از خود نشان مي‌دهند. اين حالت مخصوص نوع TiO2 روتيل است که تنها مي‌تواند مقادير ناچيزي از يون‌هاي ليتيوم را در دماي اتاق در خود جاي دهد[11-13]. نفوذ يون‌هاي ليتيوم در TiO2 روتيل شديداً ناهمسانگرد است و نفوذ در طول کانال‌هاي محور C با سرعت بيشتري روي مي‌دهد. ضمناً انحراف قابل توجه در ساختار روتيل نفوذ يوني ليتيوم را در صفحات b-a در دماي پايين کند مي‌کند ( ) . اين امر مانع رسيدن يون‌هاي ليتيوم به مکان‌هاي چهاروجهي مناسب در صفحات a-b و سبب جداسازي آنها در مجاري C مي‌شود[14-16].
با اين وجود، اين جايگزيني در مقياس نانو کاملاً متفاوت است. براي ذرات TiO2 روتيل با ميانگين قطر 15 نانومتر بيشترين مقدار استقرار ليتيوم (x>1 in LixTiO2) در مطالعات اخير ما مشاهده شده‌است]17[. علاوه بر اين، به طور متوسط حدود 7/0 يون مي‌تواند به‌طور برگشت‌پذير در هر ذره TiO2 روتيل ذخيره شده، و در چرخه بعدي رها شود (شکل2) . نتايج مشابهي نيز از سوي Hu ] 18[ و Reddy ]19[ گزارش شده است.
ولي در الکترود TiO2 روتيل نانوساختار، کوتاهي مسير نفوذ، نفوذ يون‌هاي ليتيوم در صفحات a-b را محدود کرده است. بدين معني که يون‌هاي ليتيوم در يک زمان معين مي‌توانند محل‌هاي چهاروجهي بيشتري را در اين صفحات اشغال کنند. در کنار اين، مطالعه تئوري Stashans و همکارانش[20] نشان داد که در پايدارترين حالت- صفحه (0 1 1) TiO2 روتيل-استقرار ليتيوم بيشتر يک اثر سطحي است، زيرا اتم ليتيوم در توده نفوذ نمي‌کند.
سطح تماس زياد الکترود- الکتروليت
همان طور که گفته شد، ذخيره سطحي ليتيوم نقش مهمي در ظرفيت‌ نهايي نانوالکترودها ايفا مي‌کند. علاوه بر اين، همان طور که در بسياري از مواد آندي ديديم، سطح تماس بيشتر الکترود- الکتروليت مي‌تواند به اصلاح ظرفيت جريان شارژ و تخليه بالا منجر شود. اين امر با توجه به دو عامل توصيف مي‌شود:
نخست آنکه اندازه کوچک ذرات، يعني طول انتقال کوتاه، نفوذ کامل ليتيوم را در زمان کمتر يا به عبارت ديگر سرعت جريان بالاتر شارژ يا تخليه را امکان‌پذير مي‌سازد. از طرف ديگر ذخيره سطحي ليتيوم فقط به مساحت سطح بستگي دارد نه به زمان نفوذ؛ بنابراين سطح تماس بيشتر الکترود- الکتروليت براي عمل در سرعت جريان بالا مفيد است.
دوم آنکه با استفاده از نانوالکترودها مي‌توان دانسيته جريان ويژه مواد فعال را به دليل سطح تماس زياد تا حد زيادي کم کرد. دانسيته جريان ويژه کمتر مي‌تواند الکترود را به طور مؤثري پايدار کرده، ظرفيت بالا را در دانسيته جريان بالا حفظ کند[3]. به عنوان مثال Poizot و همکارانش[7] نشان دادند که نانوالکترودهاي CoO مي‌تواند حدود 85 درصد از کل ظرفيت را در سرعت C2 (C سرعت جريان تئوري مورد نياز براي شارژ يا تخليه ظرفيت باتري در يک ساعت است) نگه دارد. همچنين در کنار ظرفيت ويژه بالا، عملکرد بسيار سريع براي نانوالکترودهاي TiO2 روتيل مشاهده شده است[ 18]. اين يافته‌ها براي اسپينل ليتيوم تيتانات (Li4Ti5O12) نيز صادق است. Li4Ti5O12 به دليل در حين فرايند استخراج – الحاق يک آند بسيار فعال به شمار آمده، سبب پايداري فوق‌العاده چرخه مي‌شود. ولي ماهيت نيمه‌رسانايي آن نشان مي‌دهد که عملکرد شارژ و تخليه آن در جريان‌هاي بالا نسبت به ماده توده‌اي ضعفيف‌تر است. Kavan و همکارانش]21[ نشان دادند که الکترودهاي Li4Ti5O12 نانو بلورين فعاليتي‌ عالي نسبت به جاسازي ليتيوم حتي در سرعت شارژ برابر با ( 1C=175)250C نشان مي‌دهند. اين مواد با سطح تماسي بين 20 تا صد متر مربع بر گرم مي‌توانند تقريباً تا حد کل ظرفيت ظاهري Li4Ti5O12 و در محدوده وسيعي از سرعت جريان (از 2C تا 250C) شارژ يا تخليه شوند.
در مطالعه ديگري، وابستگي ظرفيت ذخيره ليتيوم و عملکرد سريع الکترودهاي TiO2 آناتاز با اندازه ذرات بررسي]22[ و مشخص شد که با کاهش اندازه ذرات الکترود آناتاز باريک شدگي صفحات استخراج – الحاق ليتيوم در سرعت جريان‌هاي بالا به تأخير مي‌افتد. همچنين مشخص شد که سهم ذخيره سطحي ليتيوم تقريباً مستقل از سرعت جريان و تعداد چرخه‌هاست. اين امر منجر به عملکرد مناسب و پايدار چرخه شارژ- تخليه در نانوالکترودهاي TiO2 آناتاز، حتي در سرعت جريان‌هاي بالا مي‌شود (شکل 3) .
مسير انتقال کوتاه
به طور کلي فرايند شارژ- تخليه شامل يک واکنش اکسيد- احياست که در آن انتقال يون‌هاي ليتيوم و الکترون‌ها مخصوصاً در شارژ يا تخليه‌هاي سريع نقش مهمي دارند. مواد نانوساختار مي‌توانند مسير انتقال يون‌ها و الکترون‌ها را کوتاه کنند. در مقابل، الکترودهاي باتري‌هاي تجاري اغلب از مواد ميکروني مثلاً پودرهاي حاوي ذرات ميکروني با سطح ويژه کم ( ) تشکيل شده‌اند. از لحاظ نفوذ، اين مواد ميکروني به‌دليل طولاني بودن مسير انتقال يون‌هاي ليتيوم و کم بودن سطح تماس بين الکترود و الکتروليت براي فرايندهاي شارژ – تخليه سريع مناسب نيستند.
نفوذ يون‌هاي ليتيوم به دليل ماهيت فاز الکتروليت، سطح مشترک مايع- جامد، و پيچ و خم مسير نفوذ يک پديده پيچيده است و لازم است که اندازه ذرات مورد توجه قرار گيرد]13[. اگر فقط به کل فرايند توجه کنيم و فرض کنيم که ضريب نفوذ تنها به اين عوامل وابسته است، مي‌توان طول نفوذ را با استفاده از رابطه تعيين کرد که D و T به ترتيب ضريب نفوذ و زمان هستند. ظرفيت ويژه باتري (Q) به وسيله رابطه Q=IT به دست مي‌آيد که I دانسيته جريان ويژه شارژ- تخليه در واحدA/Kg ياMa/g است. در ظرفيت ثابت، افزايش I منجر به کاهش سريع (T) مي‌شود. بنابراين، ظرفيت ويژه مؤثر به نسبت حجم (r3- (r-L) 3) /r3 بستگي دارد که r شعاع ذرات فعال است]3[. براي رسيدن به حداکثر ظرفيت ويژه، طول نفوذ مورد نياز (L) بايد از (r) بزرگ‌تر باشد]23[. ذراتي با اندازه r2 بايد حدود دو نانومتر باشند. اين موضوع نشان مي‌دهد که مواد الکترودي نانوساختار براي تبديل و ذخيره دانستيه انرژي و توان بالا ضروري‌اند.
در حدود مواد فعال و متخلخل TiO2 نيز صادق است]3[. TiO2 متخلخل يک مزوساختار شش‌وجهي حاوي حفرات يکنواخت با قطر چهار تا پنج نانومتر از نانوبلورهاي TiO2 آناتاز است که در دانستيه جريان بالا (10m2/g ) ظرفيت ويژه بالايي ( 260mah/g) از خود نشان مي‌دهند]2[. نتايج مشابهي براي نانوبلورهاي TiO2 آناتاز با قطر شش نانومتر (شکل 3)، نيز مشاهده شده است]22[.
براي اصلاح عملکرد شارژ- تخليه با سرعت جريان بالا، مسير انتقال الکترون نيز بايد تا حد ممکن کوتاه باشد. از معمولاً کربن دوده به عنوان يک ماده هادي کمکي در باتري‌هاي ليتيومي استفاده مي‌شد. ولي مشکلاتي نظير سطح تماس، آلودگي سطح و. . . در فرآيند اختلاط مکانيکي مواد هادي کمکي و مواد فعال الکترود وجود داشت؛ بنابراين کاهش مقاومت از طريق کوتاه کردن مسير انتقال الکترون در فرايند شارژ- تخليه هنوز مطرح است. برخي روش‌هاي سنتز شيميايي براي سنتز مستقيم مواد فعال الکترود نظير V2O5 ] 24[، TiO2 ]25[ و MnO ]26[ بر روي کربن دوده استيلني ابداع و گزارش شده‌اند. اخيراً روشي براي سنتز مواد فعال متخلخل از قبيل No ]27[، Fe2O3 ]28[ و Co3O2 ]29[ براي تشکيل مواد نانو/ميکروساختار پوسته – هسته بر روي يک سطح مشبک نيکلي گزارش شد (شکل 4) . Tarascon و همکارانش]6[ اولين کساني بودند که نشان دادند الکترودهاي منفي شامل NiO، FeO يا CoO، داراي ظرفيت ويژه بالا تا حد 700 در سرعت جريان شارژ- تخليه پايين هستند، ولي استفاده از مواد هسته- پوسته فعال ميکرو/نانوساختار سنتزي، ظرفيت ويژه مشابهي را حتي در سرعت شارژ- تخليه خيلي بالا نشان مي‌دهند.
ظرفيت‌هاي ويژه در حدود 695mah/g (درA/g 10) و 780mah/g (در 13)، به ترتيب با استفاده از مواد فعال پوسته- هسته Ni- NiO و Ni- Fe2O3 به دست آمدند (شکل 5) .
در مواد فعال نانو/ميکروساختار پوسته- هسته، قطر سيم نيکلي خيلي نازک است. لذا سيم‌ها و نانولوله‌هاي هادي با قطر چند نانومتر تا چند ده نانومتر براي انتقال الکتروني به عنوان يک هسته مناسب‌تر هستند. مواد فعال نانوبلوري سنتز شده بر روي نانولوله‌هاي کربني نيز براي باتري‌هاي ليتيومي پرسرعت مورد بررسي قرار گرفته‌اند و رفتار شارژ- تخليه اصلاح شده‌اي را در دانسيته جريان بالا نشان داده‌اند]30[.
با وجود اين، سنتز مواد فعال نانوساختار بر روي نانولوله‌ها و نانوسيم‌هاي هادي هنوز يکي از اميدبخش‌ترين زمينه‌هاي تحقيقاتي است.
الکترودهاي نانوساختار براي عملکرد پايدار چرخه
الکترودهاي نانوساختار در کنار عملکرد بسيار مناسب در سرعت جريان‌هاي بالا، پايداري چرخه خوبي دارند]3، 17، 18، 22 و 31[.
کم شدن ظرفيت باتري‌هاي ليتيومي در حين چرخه شارژ و تخليه معمولاً به دليل انقباض و انبساط حجمي زياد ناشي از فرايندهاي استخراج – الحاق ليتيوم يا آلياژ شدن ليتيوم در باتري است. به عنوان مثال، Si به عنوان الکترود منفي باتري‌هاي ليتيومي داراي بالاترين ظرفيت تئوري 4200 است ]32-34[.با وجود اين، استفاده تجاري از آن به واسطه تغييرات قابل توجه حجم در حين فرآيند محدود شده است]34[. الکترودهاي نانوساختار مي‌توانند انبساط و انقباض حجم را از بين برده، سبب پايداري چرخه عملکرد باتري شوند.
به طور نمونه، نوع جديدي از الکترودهاي نانوکامپوزيتي Si/C ظرفيت برگشت‌پذير خيلي بالا (حدود 1000) و ماندگاري ظرفيت خوبي (8/99 درصد) از خود نشان مي‌دهند]35[. گمان مي‌رود که نقش الکترود کامپوزيتي نانوساختار در کاهش تغييرات حجم Si در حين فرايندهاي شارژ و تخليه، علت ظرفيت و پايداري بالا در اين باتري‌ها باشد.
منبع:ستاد ویژه ی توسعه ی فناوری نانو

[Borna66]

قابليت‌هاي استفاده از فناوري‌نانو در صنايع دريايي
فناوري‌نانو در دهه اخير از سوي کشور ما مورد توجه جدي قرار گرفته است. همزمان با آن صنايع دريايي نيز دچار تحولات اساسي شده و سرمايه‌گذاري‌هاي هنگفتي در آن انجام شده است. امروزه ثابت شده است که صنايع دريايي مي‌تواند گرانيگاه رشد و توسعه در مناطق ساحلي کشور باشد. ايران با داشتن 2900 کيلومتر مرز آبي، در زمينه صنايع دريايي، کشوري در حال توسعه محسوب مي‌شود، در حالي که برخي از کشورهاي اروپايي با کمتر ازيک پنجم اين مرز آبي، جزو کشورهاي قدرتمند در زمينه صنايع دريايي قرار دارند و به واسطه اين توانمندي، سلطه خود را بر دنيا تحميل کرده‌اند. صنايع دريايي شامل حوزه وسيعي از صنايع مي‌شود که هر كدام مي‌توانند پشتوانه و مهد توسعه علم و فناوري در کشور باشند. سه دسته‌بندي کلي صنا‌يع دريايي عبارتند از: 1 صنايع کشتي‌سازي: ساخت انواع کشتي‌ها از قبيل کشتي‌هاي کانتينربر، نفتکش‌هاي غول پيکر، ناوچه‌ها و زيردريايي‌. در اين زمينه شرکت‌هاي بزرگي نظير صدرا، ايزوايکو، اروندان و فجر در کشور شکل گرفته‌اند که هر يك تجربه ساخت ده‌ها فروند شناور دارند. 2 صنايع فرا ساحل: شامل ساخت سکوهاي ثابت و متحرک دريايي و لوله‌گذاري در دريا مي‌شود که در پروژه‌هاي عظيم نفت و گاز به خصوص در حوزه‌هاي پارس جنوبي، ابوذر و ميادين بزرگ نفتي کاربرد دارند. شرکت‌هاي بزرگي از قبيل تأسيسات دريايي، صدف و صدرا در اين زمينه شکل گرفته‌اند که تجربه ساخت ده‌ها سکوي ثابت و متحرک دريايي و صدها کيلومتر لوله‌گذاري دريايي را در كارنامه فعاليت خود دارند. 3 صنايع ساحلي و بندري: شامل ساخت اسکله، موج‌شکن و سازه‌هاي نزديک ساحل (پايانه‌هاي نفتي) که در بنادر شهيد رجايي، باهنر، بوشهر، امام خميني و جزيره خارک تجارب بسياري در اين زمينه اندوخته شده است که از جمله آنها مي‌توان به قرارگاه سازندگي نوح و شرکت صدرا اشاره کرد. فناوري‌نانو در زمينه صنايع دريايي، به خصوص ساخت شناورها از اهميت خاصي برخوردار است و كاربردهاي آن را مي‌توان به‌طور كلي شامل موارد زير دانست: 1 ايجاد پوشش‌هاي مناسب در برابر اثرات محيط دريا؛ 2 توليد مواد جديد براي ساخت بدنه و اجزاي آن به‌منظور افزايش استحکام و کاهش نويز و ارتعاش منتشر شده از بدنه؛ 3 توليد مواد جديد براي افزايش قابليت عملکرد شناور مانند سوخت‌هاي جديد، باتري‌هاي با ذخيره انرژي بسيار بالا و پيل‌هاي سوختي.
پتانسيل‌هاي كاربرد در صنايع دريايي
صنايع دريايي گستره وسيعي از صنايع مانند شناورهاي سطحي (کشتي‌ها)، زيرسطحي (زيردريايي‌ها) ، سکوهاي دريايي و کليه صنايع مرتبط با دريا را در برمي‌گيرد.
برخي از پتانسيل‌هاي کاربرد فناوري‌نانو در اين صنايع
1 کليه تحولاتي که در فناوري کامپيوتر، الکترونيک و مخابرات براساس فناوري‌نانو ايجاد مي‌گردد، قطعاً بر صنايع دريايي تأثير‌ مي‌گذارد؛ زيرا اين صنايع مانند ساير صنايع، وابستگي بسياري به اين فناوري‌ها دارند. 2 الکترودهاي جوشکاري دما پايين: اين الکترودها با استفاده از فناوري‌نانو، داراي دماي کاري بسيار پاييني نسبت به الکترودهاي جوشکاري موجود هستند. مواد اين الکترودها به‌گونه‌اي است که در ازاي حرارت اندک، اتحاد مولکولي مستحکمي را بين مولکول‌هاي دو قطعه فلز ايجاد مي‌کنند و عملکردي شبيه چسب‌هاي حرارتي معمولي خواهند داشت. اين الکترودها با ايجاد اعوجاج بسيار ناچيز در فلزات، تأثير شگرفي بر فناوري جوشکاري، به خصوص جوشکاري آلومينيوم خواهند داشت. کاربرد و حجم زياد جوشکاري در صنايع دريايي مي‌تواند عاملي براي تأثير فوق‌العاده فناوري‌نانو در اين زمينه باشد. 3 سوخت: کشتي و کليه شناورها براي تأمين قدرت حرکت در دريا، معمولاً چندين تن سوخت حمل مي‌کنند و کشتي‌هاي اقيانوس‌پيما نيز در طول مسير دريانوردي مجبور هستند، چندين بار براي سوخت‌گيري توقف کنند. فناوري‌نانو با ارائه سوخت‌هاي پرانرژي، کشتي‌ها را از توقف‌هاي متعدد در دريا و حمل چندين تن سوخت بي‌نياز خواهد کرد. اين سوخت‌ها به‌صورت بسته‌هاي پرانرژي مولکولي است که از اثرات مولکول‌ها بريکديگر، انرژي زيادي آزاد مي‌کنند، به طور كهيک ليتر از اين سوخت‌ها، معادل ده‌ها ليتر سوخت معمولي انرژي آزاد مي‌کند[2]. از آنجا که ذرات نانومتري موجب افزايش سرعت سوخت ويکنواختي آن مي‌گردد، در سوخت‌هاي جديد مي‌توان جهت افزايش قدرت سوخت از آنها استفاده کرد [3]. 4 نانوفايبرگلاس و نانوکامپوزيت‌ها: فايبرگلاس با آرايش تار و پودي (ماتريسي) ، استحکام زيادي دارد. در اين مواد، الياف شيشه به صورت تارهاي نازک و تحت شرايط خاصي توليد شده، به صور متفاوتي به هم بافته مي‌شوند؛ رايج‌ترين نوع آنها الياف بافته شده به‌صورت حصيري و الياف سوزني است. فناوري‌نانو با اعمال آرايش تار و پودي بين مولکول‌ها، نانوفايبرگلاس‌هاي بسيار محکم و سبکي ايجاد مي‌کند که نسبت به فايبرگلاس‌هاي امروزي برتري بسياري دارند. نانوکامپوزيت‌ها دسته جديدي از مواد مورد مطالعه جهاني است که شامل پليمرهاي قديمي تقويت شده با ذرات نانومتري مي‌شود. کامپوزيت‌ها با داشتن آرايش‌هاي مولکولي متفاوت، کاربردهاي وسيع‌تر و جديدتري را تجربه خواهند کرد. از جمله خواص مهم کامپوزيت‌ها، استحکام زياد در عين وزن کم، مقاومت بالا در برابر خوردگي و خاصيت جذب امواج راداري است. اين خاصيت به منظور ساخت هواپيماها و زيردريايي‌هايي که به وسيله رادار قابل شناسايي نيستند، مورد استفاده قرار مي‌گيرد [4]. 5 جاذب‌هاي ارتعاشي: جاذب‌هاي ارتعاشي امروزي، موادي حجيم و سنگين هستند. فناوري‌نانو با ارائه جاذب‌هاي ارتعاشي جديد، تحول عميقي را در اين زمينه ايجاد خواهد کرد. اين نانومواد، انرژي ارتعاشي را به مقدار بسيار بالايي در بين شبکه مولکولي خود ذخيره مي‌کنند و ساختارهاي مولکولي ويژه آنها، تا حد زيادي از انتقال انرژي ارتعاشي به مولکول‌هاي جانبي جلوگيري مي‌کند؛ بدين ترتيب ارتعاش به خوبي مهار مي‌شود. اين مواد در کشتي‌هاي مسافربري، شناورهاي نظامي و زيردريايي‌ها کاربردهاي بسياري دارند و اغلب در زير موتورها و اجزاي دوار شناورها نصب مي‌گردند. 6 جاذب‌هاي صوتي: اين جاذب‌ها نيز مانند جاذب‌هاي ارتعاشي، علي‌رغم سبک و نازک بودن، انرژي صوت را به‌طور کامل ميرا مي‌کنند. جاذب‌هاي صوتي امروزي با وجود سنگين و حجيم بودن، نسبت به فرکانس و جهت صوت برخوردي، بازدهي متفاوتي دارند. فناوري‌نانو انواعي از جاذب‌هاي صوتي را ارائه مي‌کند که ساختار مولکولي آنها با جهت برخورد صوت و فرکانس صوت قابل تطابق باشد؛ به گونه‌اي که بتوانند بيشترين مقدار انرژي صوت را جذب کنند. اين مواد در کشتي‌هاي مسافربري، شناورهاي نظامي و زيردريايي‌ها کاربردهاي بسياري دارند و قسمت داخلييا خارجي بدنه از اين مواد پوشيده مي‌شود. 7 رنگ‌هاي دريايي: خوردگي بسيار زياد محيط دريا به خصوص درياهاي آب شور مانند خليج فارس، از معضلات اساسي نگهداري سکوهاي دريايي و کشتي‌هاست. شرايط خاص محيط دريا ايجاب مي‌کند که به‌طور متوسط، هر سه ساليک‌بار بدنه سکوها و کشتي‌ها رنگ‌آميزي شود. فناوري‌نانو رنگ‌هاي جديد بسيار مقاوم در برابر خوردگي و اثرات محيط ارائه مي‌نمايد که با توجه به طول عمر شناورها و دوام بيش از 20 سال اين رنگ‌ها بر بدنه شناورها، مي‌توان اين امر را به معناي مادام‌العمر بودن اين رنگ‌ها دانست. 8 جاذب‌هاي انرژي موج دريا و نور آفتاب: فناوري‌نانو نسل جديدي از مواد را ارائه مي‌کند که همانند سلول‌هاي فتوالکتريک انرژي موج دريا و نور آفتاب را جذب مي‌کنند و به مثابه منبع تأمين انرژي خواهند بود. ويژگي منحصر به فرد اين مواد اين است که همانند پوشش‌هاي معمولي دريايي قابل اتصال به بدنه شناور هستند که مي‌تواند مدت دوام شناور در دريا را چندين برابر نمايد و از انرژي‌هاي محيط استفاده کند. استفاده از اين منابع انرژي مزيت‌هاي زيست‌محيطي نيز دارد. 9 نانوفيلتراسيون: از جمله ويژگي‌هاي اين فناوري مي‌توان به جذب ذرات بسيار ريز محيط اشاره كرد كه در جذب مونوکسيد و دي‌اکسيد کربن كاربرد دارند. پوشش داخلي زيردريايي‌ها در زير آب محيطي بسته و مناسب با بکارگيري اين فناوري است. مطابق اين فناوري، بلورهاي اکسيد تيتانيوم نيمه‌رسانا که اندازه‌شان فقط 40 نانومتر است به‌وسيله نور ماوراء بنفش شارژ شده، براي حذف آلودگي‌هاي آلي استفاده مي شوند. 10 نانومورفولوژي: با استفاده از فناوري‌نانو مي‌توان مواد بسيار مقاوم در برابر آتش ساخت که در اشتعال ناپذيري به خاک تشبيه مي‌شوند. استفاده از اين مواد در شناورها به منظور ايمني در برابر آتش‌سوزي بسيار حائز اهميت است. در شناورهاي نظامي خطر آتش سوزي بسيار زياد است؛ لذا استفاده از اين فناوري بسيار حياتي است. 11 تحول در فناوري پيل سوختي: پيل سوختي در شناورها به خصوص شناورهاي زيرسطحي و زيردريايي‌ها، کاربردهاي وسيعي دارد. امروزه روش‌هاي مختلفي براي ذخيره‌سازي هيدروژن مورد نياز در پيل سوختي استفاده مي‌شود؛ از جمله به صورت مايع (که دماي بسيار پايينيا فشار بسيار بالايي نياز دارد) ، هيدرات فلزي (که وزن بسيار زيادي را به شناور تحميل مي‌کند) و کربن فعال (که استفاده از آن معضل زياد و بازده کمي دارد) . اكنون مي توان از نانولوله‌هاي کربني براي ذخيره هيدروژن استفاده كرد؛ زيرا ديگر نيازي به دماي پايين، فشار بسيار بالا و تحمل وزن سنگين نخواهد داشت؛‌ اين كار تحول عظيمي را در فناوري پيل سوختي ايجاد خواهد كرد. 12 باتري‌هاي با ذخيره انرژي بسيار بالا: امروزه انواع مختلفي از باتري‌هاي قابل شارژ وجود دارند که داراي وزن زياد و ذخيره انرژي اندکي هستند [4]؛ اين باتري‌ها در شناورها به خصوص در قايق‌هاي تفريحي، زيردريايي‌ها و کشتي‌ها (به عنوان منبع برق اضطراري) کاربردهاي حياتي و مهمي دارند، امّا انرژي اندكي كه ذخيره مي‌كنند زمان ماندن زيردريايي‌هاي ديزل الکتريک در زير آب را محدود مي‌کنند. در موقع حرکت سطحي که ديزل قادر به فعاليت است، انرژي الکتريکي توليد شده ديزل در باتري‌ها ذخيره مي‌شود و در موقع حرکت در زير سطح آب که به علت دسترسي نداشتن به هوا امکان کار براي ديزل وجود ندارد، از اين انرژي الکتريکي استفاده مي‌شود. فناوري‌نانو با ارائه باتري‌هاي با ذخيره انرژي بسيار بالا، زيردريايي‌هاي ديزل الکتريک را قادر مي‌کند تا ده‌ها برابرِ زمان فعلي خود در زير آب بمانند. علاوه بر آن فناوري‌نانو با كاهش وزن بسته‌هاي باطري، کاربردهاي ارزنده‌اي در فناوري هوافضا، هواپيماهاي بدون سرنشين، اتومبيل و شناورهاي تفريحي کوچک پديد مي‌آورد. 13 گرافيت و سراميک: فناوري‌نانو با ارائه مواد بسيار مستحکم که ده‌ها برابر مقاوم‌تر از فولاد هستند، تأثير چشمگيري در ساخت سازه‌هاي دريايي و صنايع دريايي خواهد داشت. سراميك‌ها از جمله اين موادند كه در بدنه غوطه‌ورشونده‌هاي آب عميق (حدود 11 هزار متر) به‌کار خواهند رفت. اين مواد با داشتن استحکام فوق‌العاده، وزن سبک، مقاومت بسيار زياد در برابر خوردگي و دوام در شرايط دمايي بسيار متغير، گزينه بسيار مناسبي براي سازه‌هاي عظيم دريايي به خصوص غوطه‌ور شونده‌ها و زيردريايي‌ها هستند.
جايگاه صنايع دريايي و فناوري‌نانو در ايران
در ايران صنايع دريايي به معناي واقعي خود؛ يعني ساخت سکوهاي ثابت و متحرک دريايي، کشتي‌هاي اقيانوس پيما، غوطه‌ور شونده‌ها، زيردريايي‌ها و غيره، حدوديک دهه از عمرشان مي‌گذرد و صنعتي نوپا محسوب مي‌گردد. فناوري‌نانو نيز در دنيا قدمت چنداني ندارد و از معدود فناوري‌هايي است که در همان بدو مطرح شدنش در دنيا، در ايران نيز مطرح شده است. فناوري‌نانو با توجه به تأثيرات شگرفي که در همه صنايع دارد، مورد توجه قرار گرفته است. صنايع دريايي در حال رسيدن به دوران تکامل خود در کشور است و فناوري‌نانو هم مي‌تواند به تکامل هدفمند و روزافزون آن کمک کند. کاربردهايي از فناوري‌نانو که بيان شد، تنها گوشه‌اي از کاربردهاي گسترده آن در صنايع دريايي است و آينده، اين کاربردها را قطعي‌تر و مشخص‌تر خواهد کرد؛ لذا مديران کليه بخش‌هاي صنعتي کشور از جمله صنايع دريايي نبايد خود را نسبت به فناوري‌نانو بيگانه بدانند، بلکه همواره بايد پيشرفت‌هاي اين شاخه از دانش و فناوري مولکولي را در دنيا زير نظر داشته، از پيشرفت اين فناوري جديد در کشور، حمايت‌هاي مادي و معنوي لازم را به عمل آورند. چه بسا که ورود فناوري‌نانو به هر صنعتي، تحولات شگرفي را باعث شود و غافلگيري و ورشکستگي رقبا را به دنبال داشته باشد. از طرف ديگر، نهادهاي مرتبط بايد پيشرفت‌هاي روز دنيا در زمينه فناوري‌نانو را به صنايع مربوطه معرفي کنند که اين امر مستلزم شناخت نيازهاي هر بخش از صنعت در زمينه فناوري‌نانو است. لازم است، متوليان فناوري‌نانو بايک تقسيم‌بندي منطقي در صنايع موجود در کشور، نيازهاي هريک را به تفکيک بررسي کنند و با شناسايي نيازهاي بازار، توسعه فناوري‌نانو را در کشور جهت‌دهي نمايند. به علاوه، پشتوانه مالي مناسبي نيز براي توسعه فناوري‌نانو فراهم نمايند، زيرا نشناختن نيازها به معناي بيراهه رفتن فناوري‌نانو در کشور است. پيشنهاد نگارندگان اين مقاله به مسئولين امر، سرمايه‌گذاري در زمينه باتري‌هاي داراي ذخيره انرژي بالا است که در زيردريايي‌ها کاربرد دارند لازم به ذكر است كه پژوهشکده زير سطحي دانشگاه صنعتي مالک اشتريکي از حاميان اين طرح است

[Borna66]

كلوييدها - نانوذرات قديمي

يك روش خوب براي درك مفاهيم نانويي، مطالعه‌ي نقاط شروع اين فناوري در دنياي علم است. در قرن بيستم، به دنبال كشف قابليت‌هاي گسترده‌ي مولكول‌ها در ساختن مواد جديد، دانش‌هاي مرتبط با ذرات ريز توسعه يافتند. يكي از اين يافته‌ها كه امروزه توسعه‌ي چشمگيري پيدا كرده، كلوييد و انواع مختلف آن است.

كلوييد چيست؟

اگر در يك لوله‌ي آزمايش تا يك‌سوم گنجايش آن الكل معمولي بريزيم و به آن نصف قاشق چايخوري گَرد گوگرد اضافه كنيم و سپس مخلوط حاصل را به‌ملايمت داخل يك بِشِر آب داغ گرما بدهيم و هم بزنيم، مي‌بينيم كه گوگرد در الكل حل مي‌شود. اما اگر چنين محلولي را در يك ظرف سرد خالي كنيم، مي‌بينيم كه پديد‌ه‌ي ديگري به وجود مي‌آيد. در مخلوط جديد، گوگرد به صورت ذرات ريزي درمي‌آيد و هر ذره با آن‌كه خيلي ريز است، از صدها و گاه هزاران اتم تشكيل شده است. اين ذرات را «كلوييد» مي‌نامند.

كلوييد چگونه كشف شد؟

در سال 1861، توماس گراهام، عبور موادّ مختلف را از درون غشاي تراوا آزمايش كرد. او دريافت كه گروهي از اجسام به‌آساني از درون غشا عبور مي‌كنند و گروه ديگر به هيچ وجه از آن نمي‌گذرند. اين دانشمند، اجسام گروه اول را كريستالوئيد (شبه بلور) وگروه دوم را كلوييد (شبه چسب) ناميد.

كلوييدها محلول نيستند

كلوييدها ظاهري محلول‌مانند دارند. يعني به‌ظاهر همگن و شفاف‌اند و مانند محلول‌ها از سوراخ‌هاي كاغذ صافي مي‌گذرند. با وجود اين، چهار تفاوت اساسي ميان كلوييدها و محلول‌ها ديده مي‌شود:

1 - دركلوييدها، اندازه‌ي ذراتِ پخش‌شده، از اندازه‌ي ذرات حل‌شده در محلول‌ها، يعني مولكول‌ها و يون‌ها، بزرگتر و بين 10-7 و10-8 سانتي‌متر است؛ در حالي كه اندازه‌ي ذرات حل‌شده در محلولها در حدود 10-9 متر (نانومتر) است، يعني ابعاد يونها.

2 - اگرچه معمولاً اندازه‌ي ذرات سازنده‌ي كلوييدها آن‌ اندازه كوچك است كه از سوراخ‌هاي كاغذ مي‌گذرند، اما آن اندازه بزرگ‌ هم هست كه وقتي در مسير نور قرار ‌گيرند، بتوانند نور را به اطراف بپراكنند. اگر در يك جاي تاريك، دو ظرف، يكي شامل محلولي مانند آب نمك و ديگري شامل كلوييدي مانند FeCl3 در آب جوش را در كنار يكديگر قرار دهيد و باريكه‌ي نوري به آن بتابانيد و از پهلو به آن دو نگاه كنيد، مي‌بينيد كه مسير عبور نور در داخل محلول مشخص نيست، ولي ‌در داخل كلوييد كاملاً مشخص است؛


3 - كلوييدها برخلاف محلول‌ها حالت پايدار ندارند، بلكه با گذشت زمان تغيير مي‌كنند؛

4 - ذرات سازنده‌ي كلوييدها بر خلاف ذرات سازنده‌ي محلول‌ها، در شرايط معين، مثلاً بر اثر سرد كردن يا گرم كردن يا در مجاورت با برخي ذرات ديگر، به يكديگر متصل مي‌شوند و ذرات بسيار بزرگتري را تشكيل مي‌دهند. در اين ‌صورت، كلوييد حالت «نيمه‌جامد» يا «ژله» به خود مي‌گيرد، يا اينكه لخته مي‌شود.

اندازه‌هاي كلوييدي

اگر جسمي را كه نرم ساييده شده است در آب بريزيم، يكي از سه حالت زير پيش مي‌آيد:

1. ممكن است يك «محلول حقيقي» تشكيل شود كه نتيجه‌ي پراكنده شدنِ اتم‌ها، مولكول‌ها يا يون‌هاي آن جسم در يك حلاّل است. اندازه‌ي ذرات در اين محلول از حدود 1nm تجاوز نمي‌كند؛

2. اين امكان وجود دارد كه ذراتِ بزرگتر از حدود 100nm باقي بمانند. اين ذرات ميكروسكوپي، به‌تدريج ته‌نشين مي‌شوند. از آنجا كه اين ذرات به طور موقت معلق‌اند و بر اثر ماندن ته‌نشين مي‌شوند، به مخلوط حاصل، «مخلوط معلق» يا «سوسپانسيون»‌ مي‌گويند؛

3. ذراتي كه اندازه‌ي آنها از 1nm تا حدود 100nm تغيير مي‌كند، معمولاً به صورت پراكنده در همه‌جاي محيط باقي مي‌مانند. اين نوع مخلوط «كلوييد» ناميده مي‌شود. به عبارت ديگر، در يك مخلوط كلوييدي با «نانوذرات» سروكار داريم.

كلوييدها در ميانه‌ي سوسپانسيون‌ها و محلول‌ها قرار مي‌گيرند، ولي ناهمگن به شمار مي‌روند. محيط‌هاي پيوسته ــ همچون آب يا الكل ــ و جسم پراكنده، هركدام وضعيت جداگانه‌اي به وجود مي‌آورند.

چند نكته

الف ـ حركت براوني ذرات كلوييدي

اگر يك قطره شير را با ميكروسكوپ نوري به‌دقت نگاه كنيد، ذرات تشكيل‌دهنده‌ي آن را در حال حركت دائم مي‌بينيد. اين ذرات پيوسته و به طور نامنظم تغيير جهت مي‌دهند. ذرات كلوييدي هنگامي‌كه به هم مي‌رسند، در برخورد با يكديگر تغيير مسير مي‌دهند. به اين حركت دائمي و نامنظم ذرات كلوييدي «حركت براوني» مي‌گويند.

ب ـ دستگاه الكتروفورِز

دستگاهي است كه براي مطالعه‌ي حركت ذرات كلوييدي در ميدان الكتريكي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

ج ـ دياليز

فرايند جدا كردن يون‌ها از ذرات كلوييدي «دياليز» ناميده مي‌شود. اين كار معمولاً به كمك يك غشاي مناسب صورت مي‌گيرد. امروزه از دياليز به طور گسترده براي تصفيه‌ي خون استفاده مي‌شود.

مطالعه و آزمايش بر روي انواع كلوييدهاي جامد در مايع آسان و ارزان‌تر از زمينه‌هاي ديگر نانوفناوري به نظر مي‌رسد. شايد شما هم بتوانيد نانوذرات مفيدي بسازيد! حالا كه مي‌دانيد سابقه و ريشه‌ي نانوذرات همان كلوييدها هستند، منابع علمي بيشتري در اختيار داريد؛ مخصوصاً به زبان شيرين پارسي!


منبع : www.nanoclub.ir

[Borna66]

کاربرد‌ها و چالش‌هاي زيستي نانولوله‌هاي کربني

خلاصهيکي از پرکاربردترين ساختارهاي مورد بحث در فناوري نانو که به عرصه علوم زيستي وارد شده‌است، نانولوله‌هاي کربني هستند. اين نانوساختارها، به‌جهت بهره‌مندي از ويژگي‌هاي منحصربه‌فرد فيزيکي و شيميايي بالقوه، از توانايي‌هايي براي استفاده در حسگر‌هاي زيستي، حمل و نقل مولکولي، جستجوي الکتروشيميايي نمونه‌هاي بيولوژيک، داربست بافتي، فرستنده سيگنال‌ به سلول‌ها و روش‌هاي تشخيصي برخوردارند. اما پيش از به‌کارگيري نانولوله‌هاي کربني در موجودات زنده، بايد از سازگاري اين ساختارها در بافت زنده مطمئن شد. به اين منظور پژوهش‌هاي زيادي صورت گرفته‌است که تا حدودي سميت نانولوله‌هاي کربني و عوامل مؤثر بر آن مثل دوز، ساختمان، دنباله‌هاي شيميايي، سطح فعال و خلوص را مشخص نموده‌است. دانشمندان تاکنون توانسته‌اند از نانولوله‌هاي کربني در حسگرهاي پروتئيني، ناقل‌هاي پروتئيني، ميکروسکوپ‌ها، داربست بافتي سلول استخواني و عصبي، کانال‌هاي مولکولي و فرستنده سيگنال به سلول‌هاي عصبي استفاده کنند.

يکي از پرکاربردترين ساختارهاي مورد بحث در فناوري نانو که به عرصه علوم زيستي وارد شده‌است، نانولوله‌هاي کربني هستند. اين نانوساختارها، به‌جهت بهره‌مندي از ويژگي‌هاي منحصربه‌فرد فيزيکي و شيميايي بالقوه، از توانايي‌هايي براي استفاده در حسگر‌هاي زيستي، حمل و نقل مولکولي، جستجوي الکتروشيميايي نمونه‌هاي بيولوژيک، داربست بافتي، فرستنده سيگنال‌ به سلول‌ها و روش‌هاي تشخيصي برخوردارند. اما پيش از به‌کارگيري نانولوله‌هاي کربني در موجودات زنده، بايد از سازگاري اين ساختارها در بافت زنده مطمئن شد. به اين منظور پژوهش‌هاي زيادي صورت گرفته‌است که تا حدودي سميت نانولوله‌هاي کربني و عوامل مؤثر بر آن مثل دوز، ساختمان، دنباله‌هاي شيميايي، سطح فعال و خلوص را مشخص نموده‌است. دانشمندان تاکنون توانسته‌اند از نانولوله‌هاي کربني در حسگرهاي پروتئيني، ناقل‌هاي پروتئيني، ميکروسکوپ‌ها، داربست بافتي سلول استخواني و عصبي، کانال‌هاي مولکولي و فرستنده سيگنال به سلول‌هاي عصبي استفاده کنند.
1. معرفي نانولوله‌هاي کربني
1-1. تاريخچه

به نظر مي‌رسد اولين رشته‌هاي در مقياس نانو در سال 1970 ميلادي توسط Marinobu Endo از دانشگاه اورلئان فرانسه تهيه شد. اين رشته‌ها هفت نانومتر قطر داشتند و با روش رشد توسط بخار تهيه شده بودند [1]. با اين حال امروزه نام ايجيما از آزمايشگاه NEC در تسوکوبا به‌عنوان اولين کسي که توسط HR-TEM در سال 1991 موفق به مشاهده نانولوله‌‌ها شد، در صدر محققان اين رشته‌ باقي مانده‌است [1و2و3و4]. در همين زمان و به طور مستقل در مسکو نيز دانشمندان موفق به کشف ريز‌لوله‌هايي شده بودند که البته نسبت طول به قطر آن کمتر از يافتة ايجيما بود. روس‌ها نام اين ماده را Barrelense گذاردند [1]. آنچه ايجيما موفق به مشاهده آن شده بود نانولوله چند لايه بود و وي به فاصله دو سال موفق به مشاهده نانولوله تک‌لايه نيز گشت. گروه رايس در 1996 موفق به ساخت دسته‌هاي موازي از نانولوله تک‌لايه شدند که راه را براي تحقيقات بيشتر روي فيزيک کوانتوم تک بعدي باز کرد [1].
1-2. ساختار
نانولوله بر اساس ساختمان گرافيت بنا مي‌شوند. گرافيت از لايه‌هاي مجزايي متشکل از اتم‌هاي کربن تشکيل شده‌‌است که به‌صورت واحد‌هايي شش‌ضلعي که در شش رأس آن اتم کربن قرار دارد آرايش يافته‌اند. قطر نانولوله بين يک تا دو نانو‌متر و طول آن گاه تا چند ميکرومتر نيز مي‌رسد. انتهاي هر دو سوي نانولوله‌ها مي‌تواند با نيمه‌‌اي از يک فولرين مسدود ‌باشد يا نباشد [1]. و لذا مي‌تواند در انتهاي خود علاوه بر اجزاي شش‌ضلعي داراي اجزاي پنج‌ضلعي نيز ‌باشد[3]. اما مهم‌‌ترين ويژگي که در تعيين خصوصيات نانولوله‌ها نقش بازي مي‌کند، با عنوان Chirality يا پيچش شناخته مي‌شود [1و2و4و5].
از ديگر ويژگي‌هاي ساختاري نانولوله‌ها حضور آنها به دو فرم نانولوله چند لايه با نام اختصاري MWNT و نانولوله‌هاي تک‌لايه با نام اختصاري SWNT است؛ هر يك از اين انواع داراي کاربرد‌هاي متفاوتي هستند.

1-3. روش‌هاي توليد
روش‌هاي توليد نانولوله‌هاي کربني به‌اختصار شامل موارد زير است[2]:
• تبخير يا سايش ليزري (Laser Vaporization/ablation)؛
• رسوب‌‌دهي شيميايي بخار به کمک حرارت (CVD)؛
• رسوب‌دهي شيميايي بخار به کمک پلاسما (PECVD)؛
• رشد فاز بخار؛
• الکتروليز؛
• سنتز شعله.

1-4. خصوصيات فيزيکي و شيميايي
نانولوله‌ها علي‌رغم برخورداري از قطر بسيار کم، استحکام کششي بالايي در حدود صد گيگاپاسکال دارند [2و5]. از ديگر خصوصيات نانولوله‌ها وجود پيوند‌هاي واندروالس بين اتم‌ها(و لذا توانايي بسيار پايين آنها براي چسبيدن به يکديگر)، خواص الکتريکي منحصر به فرد (نانولوله فلزي و نيمه هادي) [1و2و3و5]، رسانايي تنها در جهت طولي [1و2]، رسانايي حرارتي و خاصيت نشر ميداني [2و6و7] است. خاصيت نشر ميداني در ساختار‌هايي که داراي نسبت طول به قطر بالا (بزرگ‌تر از هزار) ، داراي رأس اتمي تيز، ثبات بالاي حرارتي و شيميايي و هدايت بالاي الکتريکي و گرمايي باشند، ديده مي‌شود [7و8].

2. ويژگي‌هاي زيستي نانولوله‌هاي کربني
با وجود خصوصيات متنوع نانولوله‌ها، دور از ذهن نيست که کاربرد‌هاي متنوعي نيز داشته باشند. در يک تقسيم‌بندي ساده مي‌توان بر‌هم‌کنش‌هاي زيستي نانولوله‌ها را از دو بعد درون‌سلولي و برون‌سلولي مورد بررسي قرار داد. به طور کلي مهم‌ترين عناوين کاربرد‌هاي نانولوله‌ها از ديد بيولوژيک عبارتند از:
• حسگر‌هاي زيستي؛
• حمل و نقل ملکولي؛
• جستجوي الکتروشيميايي نمونه‌هاي بيولوژيک؛
• داربست بافتي؛
• فرستنده سيگنال‌ به سلول‌ها؛
• روش‌هاي تشخيصي.
اما يکي از مهم‌ترين مباحث در راه استفاده از کارايي‌هاي نانولوله در بافت زنده، سازگاري زيستي آن است. لذا ابتدا مطالعات صورت گرفته در اين زمينه را مرور مي‌كنيم.

2-1. ساز‌گاري زيستي
جلب نظر دانشمندان به سازگاري زيستي نانولوله‌ها و اثرات مضر احتمالي آنها بر سلول‌ها، به اين واقعيت برمي‌گردد که در سال‌هاي اخير با افزايش روز‌ افزون کاربرد‌هاي نانولوله‌ها‌ در صنعت و حضور بيشتر آنها در محيط، ارتباط معنا‌‌داري بين آنها و بيماري‌هايي از جمله بيماري‌هاي تنفسي [9] و پوستي [10] پيدا شده‌است. اين امر مراکز علمي و تحقيقاتي را بر آن داشته‌ است تا به بررسي اساسي اين تأثيرات، يعني تأثير نانولوله بر سلول بپردازند. علي‌رغم مطالعاتي که در ابتدا نشان مي‌داد که نانولوله و هم‌خانواده‌هاي آن تأثير چنداني بر مورفولوژي، رشد و تکثير سلولي ندارند [11]، امروزه مشخص شده‌است که شاخص‌هايي چون ابعاد فيزيکي، مساحت، دوز، نسبت طول به قطر، زمان، خلوص و وجود عوامل شيميايي متصل به سطح، هر يک به نوبه خود در خاصيت سيتوتوکسيتي نانولوله مؤثرند [12و13و14و15]. هر يک از مطالعات صورت گرفته روي يکي از متغير‌هاي مذکور تمرکز بيشتري دارند، اما به نظر مي‌رسد که دوز، خلوص و حضور دنباله‌هاي شيميايي متصل به سطح از موارد مهم‌تر باشند.
مطالعات نشان داده‌اند که آستانه اثر کشندگي نانولوله براي نانولوله‌هاي چند ديواره و تک‌ديواره ، حدود 06/3 ميکروگرم در ميلي‌ليتر است که اين رقم در برابر C60 (فولرين) که تا 226 ميکروگرم در ميلي‌ليتر نيز اثر کشندگي براي سلول ندارد، رقمي قابل توجه است [16]. آخرين و مهم‌ترين مقاله منتشر شده در اين زمينه توسط انجمن شيمي آمريکا، در مقايسه‌اي بين سيتوکسيتي MWCNT، SWCNT، کوارتز و C60، به‌ترتيب توان کشندگي اين مواد براي سلول را به اين شکل بيان مي‌کند:


C60 < کوارتز < SWCNT > MWCNT
نکته جالب آن است که اگر چه با افزايش دوز نانولوله در محيط کشت، اثر کشندگي آن نيز افزايش مي‌يابد، اما اين ارتباط، خطي و منظم نيست [15]. نکته ديگر در مورد اثر دوز اينکه نانولوله در دوز‌هاي پايين اثري عکس اثرات آن در دوز‌هاي بالا دارد.
بررسي‌ها نشان مي‌دهد که نانولولة خالص داراي اثرات سمي بيشتري نسبت به نوع ناخالص آن است[12]. اما مهم‌تر از خلوص، اثر عوامل شيميايي بر روي سطح نانولوله است که موجب کاهش اثرات سمي آن مي‌شود [13]. اضافه نمودن عوامل شيميايي بر روي سطحِ نانولوله را فعال سازي (Functionalization) مي‌گويند که به نوبه خود موجب تسهيل به‌کارگيري نانولوله در صنايع مي‌گردد.
برخي از مطالعات به نحوة اثر نانولوله در سلول و علت مستقيم مرگ سلولي ناشي از آن اختصاص دارند. به طور کلي سلول‌ها در مواجهه با نانولوله، پاسخ‌‌هاي گسترده و بعضاً متناقضي از خود نشان مي‌دهند. اين پاسخ‌هاي سلولي عبارتند از: فعال‌سازي ژن‌هاي مؤثر در حمل و نقل سلولي، متابوليسم، تنظيم سيکل سلولي و رشد سلولي پاسخ‌هاي استرسي و اکسيد‌اتيو، توليد و ترشح پروتئين از سلول، توقف رشد سلولي و در نهايت آپوپتوز و نکروز [10و14و15و17].
طبق مطالعات صورت گرفته، نانولوله‌ها در دوز‌هاي پايين‌تر موجب افزايش رشد و متابوليسم سلولي و در دوز‌هاي بالاتر موجب واکنش‌هاي التهابي و پاسخ‌هاي ايمني سلولي، مشابه وضعيتي که در برابر تهاجم يک عفونت وريدي از خود نشان مي‌دهد، مي‌شوند [15]. در واقع مرگ سلول‌ها در مواجهه با نانولوله‌ها مشابه ديگر موارد مرگ سلولي، ناشي از تشکيل راديکال‌هاي آزاد و عوارض ناشي از آن، تخليه مواد آنتي‌اکسيدان و up-regulation برخي از ژن‌ها و down-regulation برخي از ژن‌‌هاي ديگر است [10و14و17].
اثرات نانولوله بر روي بيان ژني که تا به حال کشف شده‌است عبارت است از: up-regulation بيان ژن‌هاي مؤثر در سيکل سلولي مثل P38, CdC37, CdC42, hrk, P57, bax, P16 و Down-regulation بيان ژن‌هاي مؤثر در سيکل سلول مثل Cdk2 و Cdk4، Cdk6 و Cyclin D3 و نيز down-regulation بيان ژن‌هاي مرتبط با سيگنال‌هاي سلولي مثل pcdha9, ttk, jak1, mad2 و erk. همچنين موجب القاي down-regulation بيان پروتئين‌هاي دخيل در اتصالات سلولي مانند لامينين، فيبرونکتين، کادهرين و FAR و کلاژن نوع چهار مي‌شوند[14و17].
از اين ميان دانشمندان مهم‌ترين تأثير نانولوله‌ها را در سيکل ميتوز در مرحله G1 مي‌دانند و توقف سلول در فاز G1 را عامل اصلي آپوپتوز قلمداد مي‌کنند[17].

2-2. نانولوله‌هاي کربني: ابزار‌هاي قدرتمند زيستي
چنانچه عنوان شد، با در نظر گرفته خطرات احتمالي نانولوله‌ها براي سلول و بافت، اين ساختار‌هاي نانويي بالقوه از کاربرد‌هاي فراواني در موجودات زنده برخوردارند. اگرچه ترس از عدم سازگاري زيستي موجب کند شدن روند تحقيقات در اين زمينه شده‌است، با اين حال تاکنون دانشمندان به نتايج قابل قبولي نيز دست يافته‌اند که در ادامه به آنها اشاره مي‌شود.

2-2-1. حسگر‌هاي زيستي
هرگونه تغييري در ساختمان و اجزاي نانولوله‌ها موجب تغيير در قدرت هدايت الکتريکي آنها خواهد شد. دانشمندان دريافته‌اند که فعال‌سازي نيز متناسب با خصوصيات مولکول پيوند شده، موجب تغييراتي در هدايت الکتريکي و تابش نور از نانولوله مي‌شود که منحصر به همان مولکول است[18]. تاکنون مطالعاتي روي پروتئين‌ها، کربوهيدارت‌ها و آنتي‌بادي‌هاي مختلف صورت گرفته‌است که همگي تأييدي بر اين فرضيه بوده‌اند[18و19و20]. لذا متصور خواهد بود که با حضور هر نوع مولکول در محيط‌ حاوي نانولوله و اتصال به آن مي‌توان فرکانس الکتريکي يا طول نوراني متفاوتي را ثبت کرد و به حضور آن ماده در محيط پي برد.
2-2-2. حمل و نقل ملکولي
تاکنون مطالعاتي روي توانايي نانولوله‌ها در جابه‌جا نمودن مولکول‌ها صورت گرفته‌است. اين بررسي‌ها غالباً به دو دسته تقسيم مي‌شوند: مطالعاتي که به بررسي عبور مولکول‌ها از درون نانولوله [20] و جاگذاري مولکول‌ها درون آنها [29] اختصاص دارند و مطالعاتي که بر پايه اتصال مولکول‌ها به سطح نانولوله و انتقال از اين طريق بنا شده‌اند[21]. در نوع اول دانشمندان موفق به مشاهده عبور مولکول آب، +H، برخي از يون‌ها و بعضاً پليمر‌ها از درون نانولوله شده‌اند[20]، آنها با جايگذاري داروهاي ضد سرطان (مثل سيس پلاتين) درون نانولوله‌ها موفق به انتقال آنها به اطراف سلول و آزادسازي آهستة آنها از درون نانولوله شده‌اند[29]. در نوع ديگر عموماً نقل و انتقال پروتئين‌ها توسط نانولوله‌ها بررسي شده‌است. اين مطالعات نشان مي‌دهند که با فعال سازي نانولوله توسط بنيان اسيدي مي‌توان قابليت اتصال اين مواد به پروتئين‌ها را افزايش داد و به اين طريق انتقال پروتئين‌ها به درون سلول را تسهيل کرد[21]. البته اين توانايي نانولوله‌ها به اندازه پروتئين‌ نيز بستگي دارد و در اندازه‌هاي بزرگ‌تر اين توانايي از نانولوله صلب مي‌شود. در همين رابطه مي‌توان توانايي نانولوله را براي انتقال ژن‌ها به درون سلول نيز ذکر کرد [22]. که البته مطالعات در اين زمينه همچنان ادامه دارد. چنانچه بتوان از نانولوله به عنوان ناقل ژني استفاده کرد، مي‌توان آينده درخشاني را براي ژن‌درماني و روش‌هاي مشابه متصور بود.

2-2-3. داربست بافتي
اخيراً توجه دانشمندان به اين قابليت نانولوله‌ها جلب شده‌است که همانند داربست‌هاي طبيعي بافتي محتوي کلاژن، مي‌توانند به عنوان داربست (Scaffold) براي رشد سلول‌هاي روي آنها مورد استفاده قرار بگيرند. احتمالاً ايده‌ اوليه از آنجا منشأ مي‌گيرد که نانولوله‌ها هنگام توليد به صورت رشته‌هايي درهم آرايش مي‌يابند که به آن فرم ماکاروني اطلاق مي‌شود. اين مشابه وضعيت کلاژن‌ها در مايع خارج سلولي است. نام ديگر اين آرايش bucky paper است [19].
دانشمندان دريافته‌‌اند که SWCNTهاي بافته نشده (non woven) داراي خاصيت داربستي بيشتري نسبت به ديگر انواع هستند. در اين حال قابليت تکثير و چسبندگي سلولي نيز افزايش چشمگيري دارد [23]. مهم‌ترين دستاورد محققان در اين زمينه، کشت استئوبلاست‌ها روي نانولوله‌هاست که به‌تازگي در مقاله‌اي توسط محققان دانشگاه کاليفرنيا در سال 2006 منتشر شده‌است و توجهات زيادي را به خود جلب کرده‌است. اين يافته راه را براي به کار‌گيري نانولوله‌ها در ترميم آسيب‌هاي سلولي باز مي‌کند [24]. بيش از اين نيز اتصالات محکم استئوبلاست‌ها به داربست نانولوله‌اي توسط filopodiaهاي شکل‌گرفته در حين کشت به اثبات رسيده بود [25]. با اين حال مطالعاتي نيز نشان مي‌دهند که اتصالات بين سلول و داربست نانولوله سست بود و سلول‌ها قادر به نفوذ به داربست نيستند[8].
يافته ديگري که توسط دانشگاه کاليفرنيا اعلام شده‌است، احتمال به‌كار‌گيري نانولوله‌ها در ترميم ضايعات نخاعي است. در اين حال حضور نانولوله‌ها در محيط موجب هدايت رشد آکسوني مي‌شود‌[26].
2-2-4. ديگر کاربرد‌ها
ديگر کاربرد‌هايي که امروزه مطالعاتي بر روي آنها در حال انجام است عبارتند از: الف) فرستادن سيگنال به سلول‌هاي عصبي [27] که در آن همزمان با ايجاد داربست مناسب براي رشد سلول‌هاي عصبي (توسط فعال‌سازي مناسب نانولوله‌ها) مي‌توان سيگنال‌هاي الکتريکي را به سلول عصبي فرستاد؛ ب) روش‌هاي تشخيصي زيستي [28] که اولين مرحله اين کاربرد بر روي مالاريا و تشخيص گلبول‌هاي قرمز آلوده به اين تک ياخته Plasmodium falciparum صورت گرفته‌است و در حقيقت ميکروسکوپ AFM بر اين پايه عمل مي‌کند؛ ج) جستجوي الکتروشيميايي [20] که در واقع از خاصيت قطبيت‌پذيري نانولوله‌ها استفاده و آن را به ابزاري تحت عنوان «ion-nanotube terahertz osillator» تبديل کرده‌است. در اين حالت يون مورد نظر (مثلاً +K) با گيرافتادن در دالان نانولوله با فرکانس بالا شروع به حرکت به دو سوي نانولوله مي‌کند. حاصل اين فرايند ايجاد جريان الکتريکي متناوب با فرکانس بالا خواهد بود که از خارج قابل اندازه‌گيري است.

3. جمع بندي
نانولوله‌هاي کربني به جهت قدرت الاستيسيتة بالا و در عين حال استحکام فوق العاده، به عنوان داربست سلولي براي رشد سلول‌هاي استخواني و عصبي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به علاوه در عين حال که سلول‌ها روي شبکه‌اي تور مانند از اين مواد شروع به رشد و تکثير مي‌کنند، دانشمندان توانسته‌اند از قابليت هدايت ويژه الکتريکي نانولوله‌هاي کربني استفاده و از آنها به عنوان راهي براي فرستادن پيام به سلول‌ها استفاده کنند. اين يافته‌ها تداعي‌کنندة نياز مبرم علم پزشکي و مخصوصاً شاخه‌هاي جراحي پلاستيک و پيوند اعضا، به رشد و تکثير و پرورش سلول‌هاي مورد نظر در خارج از بدن و سپس انتقال آنها به بدن است. در اين فرايند کاستن از رد شدن بافت پيوندي توسط دستگاه ايمني بدن از جايگاه ويژه‌اي برخوردار است که تحقيقات چند سال اخير روي سازگاري زيستي نانولوله‌هاي کربني آن را نشان داده‌است. با تغييراتي در ساختار و ترکيبات اين مواد مي‌توان آنها را به ساختمان‌هايي سازگار با دستگاه ايمني بدن تبديل کرد. به‌علاوه اتصال محکم سلول‌ها به اين ساختارها مشکل ديگر پيوند اعضا، يعني سستي سلول‌ها پس از پيوند را مرتفع خواهد ساخت.
همچنين قابليت ذخيره‌سازي مولکول‌ها در داخل نانولوله‌هاي کربني، درهاي تازه‌اي را به روي حمل و نقل مواد حاجب و داروها در داخل بدن گشوده‌است؛ چنانچه هر دوي اين کاربردها در خارج از بدن انسان به اثبات رسيده‌اند. مشابه اين کاربرد، توانايي نانولوله‌هاي کربني فعال‌سازي شده براي اتصال به پروتئين‌ها و انتقال آنها به داخل سلول است که به تازگي نظر دانشمندان را به خود جلب نموده‌است.
از مهم‌ترين و اولين کاربردهاي نانولوله‌هاي کربني در محيط‌هاي زنده، توانايي آنها براي اتصال به مولکول‌هاي آلي مختلف و امکان جستجوي آن ماده بر اساس تغييرات هدايت الکتريکي نانولوله بوده‌است. اين کاربرد، از برجسته‌ترين تقابل‌هاي علم الکترونيک و بيولوژي در بهره‌برداري از فناوري‌نانو بوده‌است.
با توجه به آنچه گذشت و طبق اطلاعات موجود از امکانات حال حاضر کشورمان، به نظر مي‌رسد که با برقراري ارتباط بيشتر بين محققان علوم زيستي و علوم مهندسي، هيچ‌يک از اين کاربردها هم اکنون دست نايافتني نيستند. در حقيقت ذکر چنين کابردهايي از نانولوله‌هاي کربني که تنها يک نانوذره از ميان هزاران نانوذرة موجود است، هدفي به جز ايجاد انگيزه بيشتر براي ورود مهندسان علوم الکترونيک، مواد و شيمي به حوزه علوم زيستي و بالعکس آشنايي بيشتر محققان علوم زيستي با بعد فني و مهندسي فناوري نانو نخواهد داشت.