مواد کروميک يکي از جالبترين دستههاي مواد هوشمند که بسيار هم مورد توجه قرار ميگيرد مواد با قابليت تغيير رنگ نام دارد. اين مواد را ميتوان در دستههاي زير تقسيم بندي کرد:
نام ماده
عامل تغيير رنگ
فوتوکروميک
تغيير نور
ترموکروميک
تغيير دما
مکانوکروميک
فشار يا تغيير شکل
کموکروميک
شرايط شيميايي خاص
الکتروکروميک
تغيير ولتاژ
جدول 1: انواع مواد کروميک
نکتهاي که بايد در اي زمينه دقت کنيم اين است که در واقع تغيير رنگي که از آن نام ميبريم در واقع تغيير خصوصيات نوري اين مواد مانند ضريب جذب، قابليت بازتاب و يا شکست است. در واقع چيزي که ما از رنگ ميدانيم به منبع نور و طبيعت چشممان مربوط است و اين تغيير رنگ در اثر يک تغيير ساختار در اين مواد است. در ادامه کمي بيشتر با اين مواد آشنا ميشويم: • مواد فتوکروميک: اين مواد در برابر جذب انرژي تابشي تغيير در ساختار شيمياييشان ايجاد ميشود و از ساختاري با يک ميزان جذب مشخص به ساختاري متفاوت با ميزان جذب متفاوتي تبديل ميشوند. مولکولهاي مورد استفاده در حالت غيرفعال بيرنگ هستند و وقتي در معرض فوتونهاي با طول موج خاص قرار گيرند به صورت برانگيخته در ميآيند و شرايط بازتاب آنها متفاوت ميشود. با از ميان رفتن منبع ماوراء بنفش مولکول به حالت اوليه بر ميگردد. براي نمونه تغيير ساختار يک ماده فوتوکروميک در شکل 1 نشان داده شده است. کاربرد اصلي مواد فتوکروميک در عينکها و همچنين پنجره برخي از ساختمانهاست.
شکل1: تغيير ساختار يک ماده فتوکروميک در برابر اشعه ماوراء بنفش
• مواد ترموکروميک: اين مواد گرما را جذب کرده و تغييرات شيميايي و يا تغيير فاز ميدهند. نکته مهم اين است که اين تغييرات بازگشتپذيرند و با تغييرات دما دچار اين تغييرات ميشوند. شايد به دماسنجهايي نواري برخورد کرده باشيد. در اصطلاح علمي به آنها ترمومتر گفته ميشود که با گذاشتن آن بر روي بدن تغيير رنگ داده و عدد دماي بدن را نمايش ميدهد و با برداشتن آن از روي بدن به حالت عادي بر ميگردد. شکل 2 نيز نمونه ديگري از اين مواد است.
شکل 2: صندليهاي گرمايي از رنگهاي ترموکروميک استفاده ميکنند که با دماي بدن تغيير رنگ ميدهند و پس از مدتي به حالت ابتدايي بر ميگردند.
• مواد مکانوکروميک و کموکروميک: در مورد اين دو نوع مواد دو مثال جالب وجود دارد. مواد مکانوکروميک با تغييرات فشار و يا تغيير شکل خصوصيات بازتابي متفاوتي از خود نشان ميدهند و محصولاتي از آنها توليد شده است که تحت فشار و يا کشش خاص متني که در آنها مخفي شده نشان داده ميشود. در مورد مواد کموکروميک هم حتما با نام کاغذهاي تورنسل آشنا هستيد که در محيطهاي بازي و اسيدي رنگهاي متفاوتي از خود نشان ميدهند (شکل 3).
شکل 3: کاغذ تورنسل در محيطهاي اسيدي و بازي
• مواد الکتروکروميک: الکتروکروميک به طور گستردهاي به موادي گفته ميشود که در اثر قرار گرفتن در يک جريان و يا اختلاف پتانسيل الکتريکي رنگ آنها به طور بازگشتپذير تغيير کند. به عنوان مثال پنجرههاي الکتروکروميک به وسيله الکتريسيته روشن يا تار ميشوند. اين مواد از يک جزء تشکيل نشدهاند و معمولا به صورت چند لايه از مواد هستند که با يکديگر کار ميکنند. در شکل 4 شماتيک نحوه عملکرد اين نوع مواد نشان داده شده است که فکر ميکنيم خود شکل تقريبا گوياست.
شکل 4: نحوه عملکرد يک شيشه الکتروکروميک
مواد با حافظه شکلي يکي از معروفترون آلياژهاي با حافظه شکلي مادهاي به نام نيتينول است که از آن به صورت سيمي استفاده ميشود. در نگاه اول اين سيمها همانند سيمهاي معمولي به نظر ميآيند که به راحتي تغيير شکل ميدهند و رساناي الکتريسيته نيز هستند؛ اما در مقايسه با سيمهاي معمولي فولادي و مسي بسيار گرانتر هستند. دو مشخصه در اين سيمها وجود دارد که آنها را از ساير سمها متفاوت ميکند: 1- اين سيمها حافظه دارند. به عنوان مثال ميتوان آنها را به هر شکلي در آورد و سپس با گرم کردن آنها تا دماي بالاي 90 درجه سانتيگراد به حالت اوليهشان برگرداند (شکل 5).
شکل 5: نمايي از پيدا کردن شکل اوليه سيمهاي با حافظه شکلي به وسيله گرم کردن
2- اين نکته که شايد جالبتر هم باشد اين است که ميتوان اين سيمها را برنامهريزي کرد تا شکل خاصي را به خاطر بسپارند! اين کار به اين صورت انجام ميشود که شکل دلخواهمان را به سيم ميدهيم و سپس سيم را به مدت تقريبي 5 دقيقه با دماي 150 درجه سانتيگراد گرما ميدهيم يا جريان الکتريسيته را از آن عبور ميدهيم. حالا ميتوانيم سيم را به هر شکل ديگري درآوريم و براي برگشت آن به شکل اوليه کافي است آن را در آب داغ بيندازيم (شکل 6).
شکل 6: برنامهريزي سيمهاي با حافظه شکلي
دسته ديگري از مواد با حافظه شکلي سيمهاي ماهيچهاي هستند که از آلياژهاي نيکل و تيتانيوم ساخته شدهاند و در دماي اتاق به راحتي ميتوان آنها را تغيير شکل داد. نکتهاي که اين مواد را جذاب ميکند اين است که با عبور جريان الکتريسيته با نيروي خوبي (که ميتوان از آن استفاده کرد) به شکل اوليه خود برميگردند. اگر بخواهيد دقيقتر بدانيد بايد بگوييم که اين سيمها اگر تا 8 درصد اندازه اوليهشان کشيده شوند بازهم ميتوانند به حالت اوليه باز گردند اما استفادههايي که از آنها ميشود تغيير طولهاي در حدود 3 تا 5 درصد طول اوليه است. در شکلهاي زير کاربردهايي از اين مواد را ميبينيد.
شکل 7: ترکيب يک سيم ماهيچهاي، يک وزنه، يک باتري و کليدي که جريان را قطع و وصل ميکند
شکل 8: سيمهاي هوشمند به کمک يک برد الکترونيکي ميتوانند باز و بسته شدن يک دست را نشان دهند. شکل 9: استفاده از سيمهاي ماهيچهاي براي باز و بسته ک
آشنايي با مواد هوشمند نوع دوم
همه اجسام و محيطهاي اطراف آنها مقدار مشخصي انرژي دارند. وقتي حالت (سطح) انرژي ماده با حالت انرژي محيط پيرامونش يکسان است ميگوييم ماده در تعادل است و اين به آن معناست که تغيير انرژي وجود نخواهد داشت. اما اگر ماده در حالت انرژي متفاوتي از حالت انرژي محيط قرار داشته باشد پتانسيلي براي تغيير حالت انرژي وجود دارد. تمام مواد مبدل انرژي اين کار را از طريق سطوح انرژي اتمي انجام ميدهند؛ به اين صورت که انرژي ورودي سطح انرژي را بالا برده و انرژي خروجي موجب بازگشت به سطح اوليه ميشود (شکل 1). به عنوان مثال وقتي تابشهاي خورشيدي به يک ماده فوتوولتائيک برخورد ميکنند انرژي فوتونها توسط ماده -يا به طور دقيقتر، اتمهاي ماده- جذب ميشود و اين انرژي باعث ميشود که اتمها به سطح بالاتري از انرژي حرکت کنند. اتمها قادر نيستند که اين شرايط جديد را حفظ کنند و بايد انرژي خود را آزاد کنند که در مواد فوتوولتائيک اين آزادسازي انرژي به صورت توليد الکتريسيته و به کمک مواد نيمه رسانا انجام ميشود.
شکل 1: چگونگي تغيير سطوح انرژي در اثر تابش نور
به اين نکته دقت کنيد که در تمامي مواد (هوشمند و غير هوشمند) مقدار انرژي بايد ثابت بماند و اينکه با اضافه کردن انرژي به مواد سطح انرژي آنها بالا ميرود. در اکثر مواد اين انرژي افزوده شده به صورت افزايش انرژي دروني جسم خود را آشکار ميکند که معمولا هم به صورت گرما است؛ اما مواد هوشمند اين قابليت خود که ميتوانند انرژي را به حالتهاي مفيدتر تبديل کنند ميدانند و اين کار را انجام ميدهند. بسياري ار مواد مبدل انرژي به صورت دو طرفه عمل ميکنند و جاي انرژي ورودي و خروجي ميتواند عوض شود. استثنائات اصلي در اين زمينه موادي هستند که انرژي تابشي را تبديل ميکنند و از آنجايي که اين تبديل انرژي بسيار کم بازده است اين فرآيند بازگشت ناپذير ميشود. علاوه بر اين، بر خلاف اکثر مواد هوشمند نوع اول –که خصوصياتشان در برابر محرک خارجي تغيير ميکرد- (البته نه همه آنها)، تقريبا همه مواد مبدل انرژي از مواد مرکب هستند که البته در اينجا هم استثنائاتي وجود دارد. در ادامه با برخي از مواد اين دسته آشنا ميشويم:
مواد نورتاب لومينسانس به تابش نوري گويند که عامل ايجاد آن التهاب ماده (همانند لامپهاي رشتهاي) نيست و عواملي مانند واکنش شيميايي موجب آن ميشود. به طور دقيقتر ميتوان گفت که لومينسانس تابش نور بر اثر دريافت انرژي است. در واقع اين مواد انرژي دريافت شده را در طول موجهاي قابل رويت بازتاب ميدهند. ماده بر اثر منبع محرک (مانند الکتريسيته، واکنش شيميايي و يا حتي اصطکاک) تحريک شده و در بازگشت اتمها به حالت اوليهشان اين تابش نور رخ ميدهد. در واقع اين مواد معکوس مواد فوتوولتائيک (که نور را به الکتريسيته تبديل ميکنند) عمل ميکنند. براي آشنايي بيشتر با مواد فوتوولتائيک (که احتمال دارد آن را با نام سلول خورشيدي بشناسيد) يک پويانمايي زيبا در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل 2: نحوه عملکرد مواد فوتوولتائيک
از موادي که در اثر محرک الکتريسيته نور از خود ساطع ميکنند ميتوان به ديودهاي نوري (ديودهاي ناشر نور) اشاره کرد. يک ديود نوري در واقع يک نيمه رسانا است که با عبور جريان از آن از خود نور ميتابد. به نظر ميآيد که دانش کلي در مورد نيمه رساناها ضروري است اما از آنجايي که ربط آن با دنياي نانو کمي کم رنگ است در اينجا در مورد آن بحث نميکنيم ولي در صورت لزوم (که با ايميلهاي و درخواستهاي شما مشخص ميشود) در کنار مطالب جلسات آينده مختصري بيان ميشود. يکي ديگر از مواد نورتاب موادي هستند که در اثر اعمال فشار از خود نور ساطع ميکنند. اين دسته از مواد بسيار رايج شدهاند و به راحتي و در اشکال مختلف قابل دسترسي هستند. در شکل 3 يک نمونه آن ديده ميشود.
شکل 3: يک قورباغه که با فشار دادن روشن ميشود!
پيزو الکتريک در اين قسمت با پيزوالکتريکها آشنا ميشويم که در محصولات بسياري نظير ميکروفونها، بلندگوها، فندکها و چاقوهاي جراحي کاربرد دارند. در مواد پيزوالکتريک يک نيروي مکانيکي موجب تغيير شکل ماده و اين تغيير شکل موجب توليد الکتريسيته ميشود و همچنين اگر به اين مواد انرژي الکتريکي وارد شود ماده از خود تغيير شکل نشان ميدهد که اين تغيير شکل نيز قابل تبديل به يک نيروي مکانيکي است (شکل 4). شايد اين نکته نيز برايتان جالب باشد که بدانيد پيزو در زبان يوناني به معناي فشار است. همچنين براي آشنايي بيشتر بايد بدانيد که ميزان الکتريسيته توليدي به ازاي يک ميکرومتر تغيير شکل در مقياس يک هزارم تا حدود يک دهم ولت و ميزان تغيير شکل آن به ازاي يک ولت در مقياس پيکو متر تا حدود نانو ميباشد. البته اين اطلاعات تخميني است و براي انواع و اقسام مواد پيزو متفاوت است.
شکل 4: نحوه عملکرد يک ماده پيزوالکتريک
تنوع مواد هوشمند و نحوه عملکرد آنها را نميتوان به راحتي در قالب يکي دو جلسه پوشش داد اما تلاش کرديم که در حد يک آشنايي اوليه با برخي از آنها مطالبي را بيان کنيم. در جلسه آينده مبحث کاربردهاي اين مواد را آغاز ميکنيم. با توجه به اينکه مواد پيزو الکتريک کاربردهاي گستردهاي در زندگي پيدا کردهاند پيشنهاد ميکنم که شما هم سعي کنيد کاربردهايي را ابداع کنيد. البته اين امتحان را ميتوانيد با ساير مواد هوشمند نيز انجام دهيد. مطمئنا تجربه خوبي خواهد بود
پنجره هاي هوشمند
تصور كنيد كه در یکی از گرمترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشيد مستقیما به اتاق شما می تابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره هايی با شیشه های دودي برای متعادل تر کردن گرما و نور اتاق ندارید. همچنین دوست دارید تا تنها زمانی که نور شدت دارد شیشه درست مانند عینک های فتوکرومیک دودی شوند. امروزه این کار با استفاده از الكتروکروماتيك ها انجام مي شود كه موادي هستند كه رنگ آنها در اثر جريان الكتريكي تغيير مي کنند. جريان الكتريسته با ايجاد واكنش شيميايي سبب تغییرات خصوصيات مواد می شود و کاری می کند تا آنها نور را جذب يا منعكس كنند. امروزه از صنعت الكترونيك در ساخت اين نوع از شیشه های پنجره استفاده می شود. زمانی که نور خورشيد به شيشه ها می تابد جريان الکتريکی برقرار و سبب مي شود تا يونها از لايه ذخيره يوني به سمت لايه هدايت يوني حركت کرده به لايه الكتروكروماتيكي رجعت کنند و شيشه را کدر و تیره نمایند. با قطع الكتريسته فرایند برعكس عمل کرده شيشه مجدداً شفاف ميشود. يكي از ويژگی مواد الكتروكروماتيكی قابليت تنظيم آنهاست به طوري كه مي توان شدت كدري آنها را با تغيير مقدار جريان تنظيم كرد.
NTERA يك شركت لهستاني است که توسط كالج دانشگاهي دوبلين تاسيس شده است و راه حلي براي اين مورد يافته است. آنها موفق به ساخت نمايشگرهاي نانوكروماتيك شده اند. اساس این نمایشگرها درست مانند آنچه در الكتروكروماتيكها شرح داده شد می باشد با این تفاوت که در ساخت آنها از فناوری نانو استفاده شده است. نانوکروماتیکها داراي ذراتی در مقياس نانو هستند كه مي توانند به سرعت روشن و خاموش شوند. پايداري دو طرفه فرآیند سبب می شود که در مصرف انرژي نیز صرفه جويي شود. در این نوع از نمايشگرها از دي اكسيد تيتانيوم (ماده شيميايي كه سبب سفيد شدن كاغذ ميشود) استفاده شده كه كانتراست خوبي دارد. این نوع از نمایشگرها در آینده ای نه چندان دور جایگزین نمایشگرهای فعلی شده و تحول عظیم در دنیای تلویزیون و نمایشگرها ایجاد می کند.
خودآرایی برای جلوگیری ترک برداشتن
آیا تاکنون به این نکته اندیشیده اید که چگونه یک جسم ترک بر می دارد و یا می شکند؟ نیروهای وارده به هر جسم بسته به مقاومت و خصوصیات مکانیکی آن جسم سبب ایجاد ترک های بسیار کوچک (در حد میکروسکوپی) می شوند به گونه ای که اگر این ترک ها به هم بپیوندند و به تدریج اندازه آنها بزرگ و بزرگتر شده منجر به شکستن و تخریب جسم می شوند. جلوگیری از ایجاد ترک در بسیاری از مکانها مانند پل ها، بال هواپیماها، ساختمانها، سازه ها و غیره با اهمیت است. یکی از روش های جلوگیری از گسترش ترک، پخش و توزیع نیروهایی است که سبب گسترش ترک می شود. زمانی که ترکی ایجاد می شود نیروهای وارده به گونه ای عمل می کنند که آن ترک را گسترش می دهند. زمانی را تصور کنید که می خواهید چوبی را با کمک نیروی دست به دو قطعه بشکنید. یک چوب دارای ترک یا زاویه دار را خیلی راحت از یک قطعه چوب با مقطع دایره ای شکل شکسته می شود. چرا که در چوب ترک دار یا زاویه دار نیروها متمرکز و نقطه ای عمل می کنند حال آنکه در چوب گرد نیروها به صورت پراکنده عمل می کنند. در زمان جنگ جهانی دوم نیز از این ویژگی برای جلوگیری از گسترش ترکهای بال هواپیما استفاده میشد به گونه ای که در هر دو انتهای ترک سوراخ هایی ایجاد میشد تا نیرو پخش شود و طول ترکها زیاد نشوند. کفاش ها نیز به همین روش عمل می کنند و برای مکان هایی که تحت تاثیر نیرو هستند مانند مکان عبور بند کفش از سوراخ های دایره ای مانند استفاده می کنند تا نیروهای حاصل از بستن بند کفش چرم را پاره نکند.
امروزه فناوری نانو سبب شده تا راه های جدیدی برای گسترش ترک ارائه شود. محققان دانشگاه الینویز موفق به ساخت کامپوزیتی شده اند که قابلیت خودترمیمی دارد. در این نوع از کامپوزیت میکروکپسولهایی تعبیه شده است که محتوای مواد پلیمری است به گونه ای که هر گاه این میکروکپسولها به علت ایجاد ترک آسیب ببینند پاره شده محتوای آن با کاتالیزور (عامل تسریع کننده واکنش) موجود در زمینه تماس پیدا کرده سخت می شود. این فرایند سبب ترمیم و جلوگیری از گسترش ترک می شود.
میزان کارایی این فرایند در دمای اتاق 100% و در دمای 176 درجه فارنهایت 80% است . محققان هنوز به دنبال یافتن نسبت مناسبی از کاتالیزور و میکروکپسولها هستند تا فرایند را بهینه نمایند
نانوکامپوزيتهاي ديرسوز
با توجه به اين که امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي هر جامعهاي را پليمرهايي تشکيل ميدهند که بهراحتي ميسوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه ميآفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس ميشود. بر همين اساس، در کشورهاي صنعتي، تلاش گستردهاي براي ساخت موادي با ايمني بيشتر در برابر شعله آغاز شده است و در اين زمينه نتايج مطلوبي هم به دست آمده است. بر همين اساس و با توجه به تدوين استانداردهاي جديد ايمني، به نظر ميرسد استانداردهاي ساخت مربوط به پليمرهاي مورد استفاده در خودروسازي، صنايع الکترونيک، صنايع نظامي و تجهيزات حفاظتي و حتي لوازم خانگي، در حال تغيير به سوي مواد ديرسوز است. از طرف ديگر مدتي است که نانوکامپوزيتهاي پليمر – خاکرس به عنوان موادي با خواص مناسب مثل تأخير در شعلهوري، توجه بسياري از محققان را به خود جلب کرده است. بنابراين بهنظر ميرسد که نانوکامپوزيتهاي پليمر – خاکرس ميتوانند جايگزين مناسبي براي مواد پليمري معمولي باشند؛ براي تهيه پليمرهاي ديرسوز، علاوه بر رفتار آتشگيري، عوامل زيادي بايد مورد توجه واقع شوند؛ از جمله اينکه: از افزودنيهايي استفاده شود که قيمت تمامشده محصول را خيلي افزايش ندهد. (مواد افزودني بايد ارزان قيمت باشند.) مواد افزودني به پليمرها بايد به آساني با پليمر فرآيند شود. مواد افزودهشده به پليمر نبايد در خواص كاربردي پليمر تغيير قابل ملاحظه ايجاد كند. زبالههاي اين مواد نبايد مشکلات زيستمحيطي ايجاد کند. با توجه به اين موارد، خاکرس از جمله بهترين مواد افزودني به پليمرها محسوب ميشود که ميتواند آتشگيري آنها را به تأخير بيندازد و سبب ايمني بيشتر وسايل و لوازم شود. مزيت ديگر خاک رس فراواني آن است که استفاده از اين منبع خدادادي را آسان ميکند. ويژگيهاي نانوکامپوزيتهاي پليمر – خاکرس خواص مکانيکي نانوکامپوزيتهاي پليمر-نايلون6 که از نظر حجمي فقط حاوي پنج درصد سيليکات است، بهبود فوقالعادهاي را نسبت به نايلون خالص از خود نشان ميدهد. مقاومت کششي اين نانوکامپوزيت 40 درصد بيشتر، مدول کششي آن 68 درصد بيشتر، انعطافپذيري آن 60 درصد بيشتر و مدول انعطاف آن 126 درصد بيشتر از پليمر اصلي است. دماي تغيير شکل گرمايي آن نيز از 65 درجه سانتيگراد به 152 درجه سانتيگراد افزايش يافته است. در حاليکه در برابر همة اين تغييرات مناسب، فقط 10درصد از مقاومت ضربه آن کاسته شده است. نتايج تحقيقات حاكي از آن است كه ميزان آتشگيري در اين نانو كامپوزيت پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص كاهش نشان ميدهد و اين در حالي است كه اغلب خواص كاربردي پليمر نيز تقويت ميشود. البته كاهش در ميزان آتشگيري پليمرها از قديم مورد بررسي بوده است. بشر با تركيب مواد افزودني به پليمر ميزان آتشگيري آنرا كاهش داد ولي متاسفانه خواص كاربردي پليمر هم متناسب با آن كاهش مييافته است. در واقع كاهش در آتشگيري همزمان با بهبود خواص كاربري پليمرها ويژگي منحصر به فرد فناوري نانو است، خصوصاً اينكه تنها با افزودن 6 درصد ماده افزودني به پليمر تا 70 درصد آتشگيري آن كاهش مييابد. برخي نانوکامپوزيتهاي پليمر – خاکرس پايداري حرارتي بيشتري از خود نشان ميدهند که اهميت ويژهاي براي بهبود مقاومت در برابر آتشگيري دارد. اين مواد همچنين نفوذپذيري کمتري در برابر گاز و مقاومت بيشتري در برابر حلالها از خود نشان ميدهند. استانداردسازي؛ ابزار قدرت در دست کشورهاي پيشروي صنعتي تطابق با استانداردهاي جديد موضوعي است که همواره کشورهاي پيشرو بر کشورهاي پيرو ديکته کردهاند. در کشورهاي پيشرو صنعتي، استانداردها همواره رو به بهبود است. در اين کشورها براساس جديدترين نتايج تحقيقات و مطالعات متخصصان، هر چند وقت يکبار، استانداردها دستخوش تغيير ميشوند و ديگر کشورها ناچار خواهند بود در مراودات تجاري خود با آنها اين استانداردها را رعايت کنند و به اين ترتيب، مجبور ميشوند که نتايج تحقيقات آنها را خريداري کنند. مطلب زير مثالي از اين موارد است: چندي پيش در جرايد اعلام شد که بنا بر تصميم جديد اتحاديه اروپا، هواپيماهايي که مجهز به سيستم جديد ناوبري (مطابق با استاندارد جديد پرواز) نباشند، اجازه پرواز بر فراز آسمان اروپا را ندارند. در آن زمان در کشور ما فقط تعداد معدودي از هواپيماهاي مجهز به اين سيستم وجود داشت. اخيراً هم اتحاديه مزبور اعلام کرده است که ورود کاميونهاي فاقد استاندارد زيستمحيطي به خاک اروپا ممنوع است. در پي اين اعلام، خودروسازان ايراني به ناچار استانداردهاي خود را با شرايط جديد تطبيق دادند.
کاربردهای نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی، کریستال هایی در حد نانو هستند که از خود نور ساطع می کنند. طول موج نور ساطع شده از آنها به اندازه کریستال بستگی دارد. به علت اینکه الکترون ها در این کریستالهای در حد نانو به روش یکسانی رفتار می کنند آنها را نقاط کوانتومی می نامند. موادی از قبیل سولفید سرب، سولفید روی، فسفات ایندیوم و غیره بسته به اندازه، طول موج یا رنگ معینی از نور را پس از تحریک الکترون ها با استفاده از یک منبع خارجی از خود ساطع می کنند. انتشار نور توسط نقاط کوانتومی در تشخیص های پزشکی کاربرد فراوانی دارد. این نقاط به صورت برچسب فلوئورسانتی عمل می کنند با این تفاوت که در برابر درخشان شدن خاصیت و توانایی خود را از دست نمیدهند و در برابر تعداد سیکل های تحریک و انتشار نور مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند. نقاط کوانتومی می توانند به گونه ای تنظیم شوند که در رنگ های مختلف با یک طول موج نور معین بدرخشند. به عبارتی می توانیم نقاط کوانتومی را بسته به فرکانس مورد نیاز نور انتخاب کنیم و باعث شویم تا یک گروه از نقاط کوانتومی مشابه گروه دیگری با یک یک طول موج بدرخشند. این امر به برچسبهای چندگانه امکان می دهد تا با استفاده از یک منبع نور وارد ردیابی شوند. در دانشگاه فنی جورجیا و مرکز تحقیقات کمبریج ار نقاط کوانتومی در تصویر برداری سلول های تومور در موش استفاده شده است. این نقاط کوانتومی از هسته های کادمیومی به قطر 5 نانومتر که با سولفید سلینید پوشیده شده بودند درست شده بودند و توسط پوششی از پلیمر محافظت می شدند تا از حمله آنتی بادی های بدن موش به آنها و نیز نشت یونهای کادمیوم و سلینیوم سمی در بدن جلوگیری شود.
به پوسته خارجی این نقاط کوانتومی آنتی بادیهایی متصل شد تا به صورت هدفمند به سلول تومور پرستات متصل شوند. نقاط کوانتومی با کمک جریان خون و از طریق تزریق وارد بدن شده و در محل تومور جمع شدند تا علاوه بر ایجاد قابلیت آشکار سازی در تصویربرداری به درمان و نابودی این سلولهای تومور نیز کمک نمایند. امروزه از نقاط کوانتومی در تشخیص مرز واقعی بین سلولهای سالم و سلولهای تومور در مغز کمک گرفته می شود. تیمی از محققان از بنیاد کلینیک کلیولند اعلام داشته اند که نقاط کوانتومی در هنگام تزریق به حیوانات مبتلا به تومور مغزی در محل تومور تجمع می کنند این نقاط کوانتومی قابل رویت هستند و حتی زمانی که تحت تابش قرار نمی گیرند نیز مرئی می باشند. نتایج کار این تیم تحقیقاتی در مجله نئوسرجری درج شده است. بر این اساس زمانی که حجم زیادی از نقاط کوانتومی به موشهای مبتلا به تومور مغزی تزریق شد، نانوکریستال های فلوئوروسانت در سلول های ایمنی موش ها (ماکروفاژها ) تجمع می کنند. این سلولها می توانند از سد بین مغز و خون بگذرند و در اطراف سلولهای مغزی جای گیرند. زمانی که نور آبی یا نور ماورای بنفش به آنها تابانده می شود از خود نور فلوئورسانس قرمز ساطع می کنند. محقق این نور را با استفاده از دوربین های دیجیتالی ویژه ، وسایل اسپکتروسکوپی اپتیکی یا میکروسکوپ فلوئورسانس میدان تاریک دریافت می کنند و بدین ترتیب مکان دقیق تومور و حدفاصل آن با بافت سالم را تعیین میکنند
انتقال گرما به وسيله نانوسيالات
سيستمهاي خنک کننده، يکي از مهمترين دغدغههاي کارخانهها و صنايع و هر جايي است که به نوعي با انتقال گرما روبهرو میباشد. در اين شرايط استفاده از سيستمهاي خنککننده پيشرفته و بهينه، کاري اجتنابناپذير است. بهينهسازي سيستمهاي انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسيله افزايش سطح آنها صورت ميگيرد که همواره باعث افزايش حجم و اندازه اين دستگاهها ميشود؛ لذا براي غلبه بر اين مشکل، به خنک کنندههاي جديد و مؤثر نياز است و نانو سيالات به عنوان راهکاري جديد در اين زمينه مطرح شدهاند. نانوسيالات به علت افزايش قابل توجه خواص حرارتي، توجه بسياري از دانشمندان را در سالهاي اخير به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمي (حدود يک درصد حجمي) از نانوذرات مس يا نانولولههاي کربني در اتيلن گليکول يا روغن به ترتيب افزايش 40 و 150 درصدي در هدايت حرارتي اين سيالات ايجاد ميکند؛ در حالي که براي رسيدن به چنين افزايشي در سوسپانسيونهاي معمولي، به غلظتهاي بالاتر از ده درصد از ذرات احتياج است. البته از سوسپانسيون نانوذرات فلزي، در ديگر زمينهها از جمله صنايع دارويي و درمان سرطان نيز استفاده شده است.
انتقال حرارت در سيالات ساکن خواص استثنايي نانوسيالات شامل هدايت حرارتي بيشتر نسبت به سوسپانسيونهاي معمولي، رابطه غيرخطي بين هدايت وغلظت مواد جامد و بستگي شديد هدايت به دما است. اين خواص استثنايي، به همراه پايداري، روش تهيه نسبتاً آسان و ويسکوزيته یا گرانروی قابل قبول باعث شده تا اين سيالات به عنوان يکي از مناسبترين و قويترين انتخابها در زمينه سيالات خنک کننده مطرح شوند. بيشترين تحقيقات روي هدايت حرارتي نانوسيالات، در زمينه سيالات حاوي نانوذرات اکسيد فلزي انجام شده است یکی از اين پژوهش ها افزايش 30 درصدي هدايت حرارتي را با اضافه کردن 3/4 درصد حجمي آلومينا به آب نشان میدهد. البته در يک پژوهش مشابه ديگر، محققان به افزايش 15 درصدي هدايت گرمایی را براي همين نوع نانوسيال با همين درصد حجمي دست یافتند که مشخص شد تفاوت اين نتايج ناشي از تفاوت در اندازه نانوذرات بهکار رفته در اين دو تحقيق بوده است. قطر متوسط ذرات آلوميناي بکاررفته در آزمايش اول 13نانومتر و در آزمايش دوم 33 نانومتر بوده است.
خلاصه خواص استثنايي نانوسيالات شامل هدايت حرارتي بيشتر نسبت به سوسپانسيونهاي معمولي، رابطة غيرخطي بين هدايت و غلظت مواد جامد و بستگي شديد هدايت به دما است. خواص استثنايي، به همراه پايداري، روش تهية نسبتاً آسان و ويسکوزيتة قابل قبول باعث شده تا نانوسيالات به عنوان يکي از مناسبترين و قويترين انتخابها در زمينة سيالات خنک کننده مطرح شوند. مقدار کمي (حدود يک درصد حجمي) از نانوذرات مس يا نانولولههاي کربني در اتيلن گليکول يا روغن به ترتيب افزايش 40 و 150 درصدي در هدايت حرارتي اين سيالات ايجاد ميکند.
اصل اين مقاله در ماهنامه شماره 109 فناوری نانو به چاپ رسيده است
نانوحسگرها و انواع آنها
حسگر چیست؟ حسگریک وسیله ی الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری می کند وآنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها درواقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج وکسب اطلاعات محیطی ونیز داخلی می باشند. ویا به طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص ازخود واکنشهای پیش بینی شده ومورد انتظار نشان می دهند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین حسگرهایی دانست که بشرساخت .
ساختار کلی یک حسگر: درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگرشیمیایی یا زیستی عنصرحسگر آن می باشد. عنصرحسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصرمسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی موردنظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیرآنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیمها ، گیرنده ها یا کل سلولها می توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گیرند.
خصوصیات حسگرها: یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد : 1 . سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونه ی هدف باشد. 2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند. 3 . قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد. 4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد. 5. سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد ( درحد میلی ثانیه ). 6. عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما ، قدرت یونی محیط و …
نانوحسگرها: با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر،کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکسالعمل نشان می دهند.
انواع نانو حسگرها: نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دسته ی نقاط کوانتومی ، نانولوله های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند: 1. استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها: نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی ، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهنده ی نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.
2. استفاده ازنانولوله ها درتولید نانوحسگرها: نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.
به طورکلی کاربرد نانو لوله ها در حسگرها را می توان به دو دسته تقسیم کرد: الف ) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی: این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت ppm200 از NO2 قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند. ب) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی: هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملا ً متناسب است. این اندازه گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می دهد. یا می توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصله ی میان نانولوله های کربنی وسیستم، نانولوله های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی های دینامیکی نشان می دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می تواند به وسیله ی پیوندهای واندروالس روی نانولوله ی کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله ها ی کربنی را نشان می دهد. تحقیق دراین زمینه هنوزدرحال توسعه وپیشرفت است ومطمئنا ً درآینده ای نه چندان دور شاهد به کارگیری آنها درابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود.
3. استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها: با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه ی کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینه ی نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.
نانو حسگرها و کنترل آلودگی هوا: یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمرآلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت مؤثری در زمینه ی کنترل آلودگی هوا صورت گرفته است. یکی از این راهکارها اختراع غبارهای هوشمند می باشد. غبارهای هوشمند مجموعه ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیارسبک هستند که به راحتی ساعتها درهوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند ازطریق بی سیم موجود درخود اطلاعات موجود در خود را به یک پایگاه مرکزی منتقل کنند. سرعت این انتقال حدود یک کیلوبایت در ثانیه است. هم چنین حسگرهایی از جنس نانولوله های تک لایه ساخته شده اند که می توانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند و همچنین آنها قادر به شناسایی تعداد معدودی از گازهای مهلک موجود درمحیط هستند. محققان معتقدند این نانوحسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی و آلاینده های هوا کاربرد خواهند داشت
سیم های نانومقیاس
نانوسیم چیست؟ شاید هنوز ساخت تراشههای کامپیوتری که برای ایجاد سرعت محاسباتی بالا به جای جریان الکتریسیته از نور استفاده میکنند، تشخیص انواع سرطان و سایر بیماریهای پیچیده فقط با گرفتن یک قطره خون، بهبود و اصلاح کارتهای هوشمند و نمایشگرهای LCD ؛ تنها یک رویا برایمان باشد و این مسائل را غیر واقعی جلوه دهد اما محققین آینده قادر خواهند بود تمام این رویاها را به حقیقت تبدیل کنند و دنیایی جدید از ارتباطات و تکنولوژی را بواسطه معجزه نانوسیمها به ارمغان آورند. تا کنون با نانوساختارهای مختلفی از جمله نانولولههای کربنی، نانوذرات و نانوکامپوزیت آشنا شدهاید؛ یکی دیگر از نانوساختارهایی که امروزه مطالعات و تحقیقات بسیاری را به خود اختصاص داده است نانوسیمها است. عموماً سیم به ساختاری گفته میشود که در یک جهت (جهت طولی) گسترش داده شده باشد و در دو جهت دیگر بسیار محدود شده باشد. یک خصوصیت اساسی از این ساختارها که دارای دو خروجی میباشند رسانایی الکتریکی میباشد. با اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو انتهای این ساختارها و در امتداد طولی شان انتقال بار الکتریکی اتفاق میافتد.
ساخت سیمهایی در ابعاد نانومتری هم از جهت تکنولوژیکی و هم از جهت علمی بسیار مورد علاقه میباشد، زیرا در ابعاد نانومتری خواص غیر معمولی از خود بروز میدهند. نسبت طول به قطر نانوسیمها بسیار بالا میباشد. ( L>>D ) مثالهایی از کاربرد نانوسیمها عبارتند از: وسایل مغناطیسی، سنسورهای شیمیایی و بیولوژیکی، نشانگرهای بیولوژیکی و اتصالات داخلی در نانوالکترونیک مانند اتصال دو قطعه ابر رسانای آلومینیومی که توسط نانوسیم نقره صورت میگیرد.
انواع نانوسیمها: 1. نانوسیمهای فلزی: این نانوساختارها به دلیل خواص ویژهای که دارند نویدبخش کارایی زیادی در قطعات الکترونیکیاند. توسعه الکترونیک و قدرت یافتن در این زمینه بستگی به پیشرفت مداوم در کوچک کردن اجزاء الکترونیکی است. با این حال قوانین مکانیک کوانتومی، محدودیت تکنیکهای ساخت و افزایش هزینههای تولید ما را در کوچکتر کردن تکنولوژیهای مرسوم و متداول محدود خواهد کرد. تحقیق فراوان در مورد تکنولوژیهای جایگزین علاقه فراوانی را متمرکز مواد در مقیاس نانو در سالهای اخیر کرده است. نانوسیمهای فلزی بخاطر خصوصیات منحصر به فردشان که منجر به کاربرد گوناگون آنها میشود، یکی از جذابترین مواد میباشند. نانوسیمها میتوانند در رایانه و سایر دستگاههای محاسبهگر کاربرد داشته باشند. برای دستیابی به قطعات الکترونیکی نانومقیاس پیچیده، به سیمهای نانومقیاس نیاز داریم. علاوه بر این، خود نانوسیمها هم میتوانند مبنای اجزای الکترونیکی همچون حافظه باشند.
2. نانوسیمهای آلی: این نوع از نانوسیمها، همانطور که از نامشان پیداست، از ترکیبات آلی بهدست میآیند. علاوه بر مواد فلزی و نیمه رسانا، ساخت نانوسیمها از مواد آلی هم امکانپذیر است. به تازگی، مادهای بنام «الیگوفنیلین وینیلین» برای این منظور در نظر گرفته شده است. ویژگی این سیمها (نظیر رسانایی و مقاومت و هدایت گرمایی) به ساختار مونومر و طرز آرایش آن بستگی دارد. 3. نانوسیمهای هادی و نیمههادی: ساختار شیمیایی این ترکیبات باعث بوجود آمدن خواص جالب توجهی میشود. آینده نانوتکنولوژی به توانایی محققین در دستیابی به فنون ساماندهی اجزای مولکولی و دستیابی به ساختارهای نانومتری بستگی دارد. محققین اکنون توانستهاند با تقلید از طبیعت به ساماندهی پروتئینهای حاصل از خمیر مایه برای تولید نانوسیمهای هادی دست یابند. ساماندهی اجزای زنده در طبیعت، بهترین و قدیمیترین نمونه ساخت «پائین به بالا» است و لذا میتوان از آن برای فهم و نیز یافتن روشهائی برای ساخت ادوات الکترونیکی و میکرومتری استفاده کرد. تا کنون از فنون ساخت «بالا به پائین» استفاده میشد که این فنون در مقیاس نانومتری اغلب پر زحمت و هزینهبر است و تجاریسازی نانوتکنولوژی به روشهای آسان و مقرون به صرفه نیاز دارد که بهترین الگوی آن هم طبیعت پیرامون ماست؛ فقط کافی است کمی چشمانمان را باز کنیم و با دقت بیشتری اطرافمان را بنگریم.
4. نانوسیمهای سیلیکونی: این نوع از نانوسیمها سمی نیست و به سلولها آسیبی نمیرسانند. این نوع از نانوسیمها بیشترین کاربرد خود را در عرصه پزشکی مانند تشخیص نشانههای سرطان، رشد سلولهای بنیادی و ... نشان داده است که در ادامه به آن میپردازیم.
نمونهای از نانوسیمهای سیلیکونی
روشهای ساخت نانوسیمها: 1. تکنیکهای لیتوگرافی • لیتوگرافی نوری: در این روش از تغییرات شیمیایی در یک ماده سخت شونده در اثر نور استفاده میشود. از یک سری ماسکهای نوری برای تعریف مناطق فعال شونده در اثر نور استفاده میشود. یکی از محدودیتهای این تکنیک محدوده پراش موج نوری است. طول موج نوری که در حاضر در صنایع استفاده میشود در حدود nm 248میباشد ولی با طراحیهای دقیق مالک و به کارگیری بسیار دقیق پلیمرهای سختشونده میتوان به ابعاد کمتر nm 100 هم رسید. • لیتوگرافی با اشعه الکترونی: در این روش عمدتا از یک پلیمر سختشونده و قرار دادن آن بر یک پایه استفاده میشود. آنگاه یک اشعه الکترونی با انرژی بالا بر روی سطح تابیده میشود با تابش اشعه الکترونی طرح مورد نظر شکل داده میشود. پس از یونیزه شدن ماده و حل شدن پلیمر توسط حلالهای شیمیایی طرح مورد نظر برای ساخت نانو سیم حاصل میشود. • لیتوگرافی با پراب روش: لیتوگرافی با استفاده از پراب روشیپ برای ساخت نانوسیمهای زیر nm100 بکار میروند. پرابهای الکترونی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) و یا میکروسکوپ روش تونلی (STM) از انتخابهای این روش برای ساخت نانوسیمها میباشد. از مزایای روشهای لیتوگرافی انعطاف این روشها در الگوسازی برای نانوسیمها میباشد. بعبارت دیگر با این روشها میتوان به نانوسیمها هر شکل قابل ترسیم را داد.
2. رسوب الکتروشیمیایی در حفرات: روشهای الکتروشیمیایی بطور گستردهای برای ساخت نانوسیمها استفاده میشود. یک الگوی مناسب باید حفراتی یکنواخت و بلند داشته باشد، قطر حفرات در این نوع الگو از چند نانومتر تا nm 20 میتواند داشته باشد.
فناوری نانو ، نوید کنترل خواص جدیدی از مواد را می دهد که زائیده ابعاد نانو مقیاس ذرات است ، همین خواص باعث شد شرکتهای خصوصی ، دولتها و سرمایهگذاریهای خطرپذیر جهان در سال 2005 حدود 15میلیارد دلار در این فناوری سرمایهگذاری کنند، همچنین براساس پیشبینیهای صورت گرفته بازار کالاهای تولیدی مبتنی بر این فناوری در سال 2015 به رقم 6.2 میلیارد دلار میرسد. تولید این محصولات نیازمند نانومواد ،اندازهگیری و فناوریهای ساخت است. صنعت الکترونیک در تجاری سازی فناوری نانو پیشگام است. نانوالکترونیک شامل نیمههادیهای کمتر از nm 90 ،اشکال جدیدی از حافظههای دارای نیمه هادی ، حافظههای اطلاعاتی نانوالکترومکانیکی، نمایشگرهای آلی ، نمایشگرهای نشر میدانی،نانو لولههای کربنی، حسگرهای مختلف و پارهای از ادواتی که اکنون در حال ساخت برای به کارگیری در ابزارآلات الکترونیکی میشود. طبق برآورد بازار تجهیزات نانوالکترونیک در سال 2005 نزدیک 60 میلیارد دلار بوده و به نظر می رسد تا سال 2010 به 250میلیارد دلار برسد. بازار نانومواد ونانوابزار مورد استفاده در تولید این تجهیزات 108میلیارد دلار بوده که از این رقم 10درصد آن مربوط به نانومواد ،ابزارها، تجهیزاتی مانند لیتوگرافی ماورابنفش دور، لیتوگرافی چاپ نانو ،کاتالیستها و نانوسیمها است.
کاربردهای نانوسیم:
کاربرد نانوسیم در تشخیص بیماریها: از نانوسیم هایی که از مواد مورداستفاده در تراشه رایانههای امروزی مثل سیلیکون و نیترید گالیون ساخته شده است میتوان برای تشخیص بیماریها استفاده کرد . شاید بپرسید ابزار رایانهها چه ارتباطی به تشخیص بیماری و بدن انسان دارد ، بدن انسان نیز همانند یک رایانه باید حسگرهایی داشته باشد که بتواند در صورت بروز مشکل و خطا و یا وجود مواد سمی به ابزارهای هشداردهنده خارجی اخطار دهد و درصدد رفع آن برآید همانند یک رایانه که اگر مسیری اشتباه را در آن اجرا کنید و یا ویروسی در آن پیدا شود پیغام (ERROR) میدهد اما این کار چگونه امکان پذیر است؟! دانشمندان موفق شدند نانوسیمهای انعطافپذیر و طویلی را تولید کنند که طولهای متغیر این نانوسیمها بین 1 تا nm100 و یا حتی در میلیمتر میباشد و از لحاظ مقایسه حدود هزار مرتبه باریکتر از موی انسان است. بلندی ، انعطافپذیری و استحکام این نانوسیمها خصوصیات ویژهای را به آن می بخشد . به عنوان مثال نازک بودن وطویل بودن باعث افزایش سطح آن میشود . لذا از این ساختارها می توان در طراحی حسگرهای بسیار سریع و حساس استفاده کرد. این نانوسیم ها توانایی تولید اشعه ماورای بنفش نامرئی را دارد ، نور از یک انتها وارد نانوسیم شده و از انتهای دیگر شروع به تابیدن میکند. نانوسیمها بدون هیچ اتلافی این نور را به طور موثری عبور میدهد. و در مسیر خود اگر به یک عامل بیماریزا یا ماده سمی برخورد کند نانوسیم شروع به تابیدن میکند و سیستم هشدار دهنده بسیار سریعی را ایجاد میکند و این میتواند بیماری را زودتر وسریعتر از هر آزمایشی تشخیص دهد.
استفاده از نانوسیمها در رگهای خونی برای تحریک اعصاب مغزی: همیشه انتقال فرستندههای کوچک به درون رگها و هدایت آنها بطرف محلهای موردنظر را در فیلمهای تخیلی دیده بودیم اما هیچ باور نمیکردیم که روزی این را در واقعیت ببینیم.!
محققین توانستهاند نانوسیمهایی از جنس پلاتین که ضخامت آن 100 برابر نازکتر و ظریفتر از موی انسان است را ابداع کنند. آنها این نانوسیمها را به داخل رگهای خونی میفرستند و توسط دوربین کوچکی آنها را بطرف اعصاب مغزی هدایت میکنند. این روش برای کمک به یافتن علل مختلف و پیدایش بیماریهای عصبی از جمله پارکینسون بسیار مفید است. در گذشته برای یافتن علل مختلف پیدایش بیماریهای قلبی و عصبی، بدن را در هر نقطه میشکافتند تا علت بیماری را بیابند، اما امروزه با گسترش فنآوری نانوتکنولوژی هر وسیلهای را میتوان بصورت ظریف، نازک و حساس، اختراع و ابداع کرد و حتی آن را به درون ظریفترین رگ نیز فرستاد. تنها مشکلی که محققان را کمی دچار سردرگمی کرده است تعدد رگهای خونی و سیستم گردش خون و عصب های فراوان در محدوده مغز است که فرستادن این نانوسیمها را کمی دشوار کرده است اما محققین درصدد یافتن راهی برای حل آن وساختن نانوسیمهای دقیقتر هستند.
استفاده از نانوسیمهای سیلیکونی برای هدفمند کردن رشد سلولهای بنیادین : تولید و رشد بافتها و سلولهای مورد نیاز برای بیماران نیازمند اهدافی است که دانشمندان در عرصه پزشکی همواره به دنبال آن هستند، از جمله ابزاری که میتواند این هدف را تحقق بخشد نانوسیم های سیلیکونی است. نانوسیم ها همچون تختی از میخها هستند که به صف شدهاند و قابلیت تغییر شکل و رشد را دارند ، برای این منظور از طیفی وسیعی از تحریکات مکانیکی و شیمیایی بعنوان فاکتور رشد استفاده می کنند اما به تازگی توانستهاند از محرکهای الکتریسیته نیز استفاده کنند و امیدوارند که استفاده از پالسهای الکتریکی در سلولها با استفاده از آرایه رسانای نانوسیمها در آیندهای نزدیک بعنوان شیوهای ارزشمند برای تحت تاثیر قرار دادن سلولهای بنیادین بکار روند.
ده محصول برتر فناوری نانو در سال 2005
سال 2005 سالی است که محصولات واقعي بسياري با اين دانش جديد- نانوفناوری- توليد و به بازار عرضه شدهاند. به طوري كه گزارش امسال Nanotech Product Guide – که توسط سایتهایی که در حوزه فناوری های نوین تحقیق و پژوهش میکنند تهیه شده است - پر از كالاهاي مصرفي مفيد و جالب توجه است که افراد را شوكه میکند. در این گزارش نیز مانند گزارشهای سال 2003و 2004، محصولاتي كه ارتباط بسيار كمي با فناوري نانو داشته و فقط در اول راه بازار بوده و یا هنوز در ابتدای مرحله تجاری شدن هستند نیامده است. معیارهای انتخاب این محصولات تهیه شده در گزارش Nanotech Product Guide از دیدگاه این نویسنده به طور مختصر به شرح زیر است: 1- در این گزارش محصولاتی انتخاب شدهاند که مدت زمانی از تجاری شدن آنها گذشته باشد. بنابراین محصولاتی که هنوز در مرحله آزمایش بوده و یا به طور انبوه و فراوان تولید نشدهاند جزء این دسته نیستند. 2- میزان توجه و سرمایه گذاری این شرکتها به فناوری نانو و نیز محصولاتي كه با این فناوري مد نظر است
3- معیار آخر نیز میزان موفقیت در فروش محصولات تولیدی است که این شرکت ها از طریق بکار بردن این فناوری بدست آوردهاند. به عبارت دیگر کاربرد این فناوری در محصولات تولیدی، موجب بهبود قابل توجهی در فرآيند يا كالاي توليد شده بوده که در نهایت مشتری را ترغیب به خرید آن نموده است. دستاورد این گزارش: نتیجه این گزارش حاکی از آن است که این 10 محصول برتر معرفي شده در سال2005، نشان از پيشرفت قابل توجه در صنايع ورزشي، آرايشي و پوشاك دارد. اين پيشرفتها بیشتر در سنتزنانوكپسولسازي و صنايع غذايي نیز هست که به تازگی رخ داده است. همانگونه كه در پایین به آن اشاره خواهد شد، اين فناوري را می توانید در نمونه محصولاتی نظیر شكلاتهاي طعمدار، آدامسها و نيز تعداد قابل توجهي از محصولات بدون چربي نیز مشاهده نمایید . در این گزارش تاکید میشود که استفاده از فناوري نانو همچنان رو به رشد است و شركتهاي بيوتكنولوژي در بخش توسعه داروهاي مولكولی كوچك از آن بهره برده و استفاده خواهند نمود که شاید بتوان گفت در آغاز راه هستیم و باید منتظر پیشامدهای جدید و حیرت آوری باشیم.
این 10 محصول نانویی ذکر شده در این گزارش شامل موارد زیر هستند که عبارتند از :
1- دستگاه ضبط و پخش iPod Nano با ظرفيتGB4 و GB8 به اندازه و ضخامت يك مداد: این دستگاه محصولی جديد از شركت كامپيوتري اپل (Apple) است. اين محصول با ورود به بازار مورد استقبال و توجه ویژهای از سوی مشتریان قرار گرفت. قابلیتهای این دستگاه: این دستگاه با ظرفیت های GB4 و GB8 در بازار موجود میباشد. این دستگاه از تراشههای حافظهای تولید شده توسط شرکتهای سامسونگ و توشیبا استفاده نموده است. عمر باتریهای آن بدون شارژ مجدد بیش از 24 ساعت است. این دستگاه میتواند 2000 آهنگ و 25،000 هزار عدد عکس را در حافظه خویش ذخیره نماید. دستگاه ضبط و پخش IPod Nano شرکت اپل به قیمت 199 دلار در بازار موجود است. نکته دیگر آنکه شرکت سامسونگ نیز در حال حاضر بزرگترين توليد كننده تراشههاي حافظه فلش DRAM و NAND در جهان ميباشد. روش و استراتژی این شرکت نیز جالب توجه است. به همين منظور از روشهاي توليد نيمهرسانا (نبمه هادی) استفاده كرده و دقتي زير 100 نانومتر دارد. در واقع همين دقت 100 نانومتری است كه امكان ساخت حافظه فلش 4 گيگابايتي NAND از نوع iPod Nano را فراهم كرده است.
2- روغن فعال كانولا(Canola) : این ماده قبلاً مصرف خوراکی نداشته و برای اولین بار در سال 1957-1956 در کانادا از دانه کلزا برای مصارف خوراکی تولید شد. اين ماده در واقع نوعي روغن خوراكي است كه با ماده گیاهی به نام فيتوسترول تركيب شده و باعث جذب كلسترول خون و در نتيجه كاهش خطر ابتلا به بيماريهاي قلبي ميشود. ساختارهاي نانو مقياس شرکت NutraLease باعث تشکیل مايعي می شوند كه باعث بهبود جذب Phytochemicals و همچنین كاهش آن تا 14 درصد كلسترول LDL ميشود. نوع سالمتري از روغن كانولا توسط شركت NutraLease توليد شده و براي اين كار از كپسولهاي 30 نانومتري استفاده شده كه به دليل كوچكي زياد قادرند از طريق پوست به داخل بافتها نفوذ كرده و به اين ترتيب غذارساني زيستي بهتري صورت پذيرد. اخیراً و به تازگی يك شركت ديگر نیز به نام شرکت صنعتی شِمِن(Indutries Shemen ) با الگوبرداری و استفاده ازفرآيندشرکت NutraLease – که در بالا به اختصار اشاره شد- سعي در توليد روغن فعال كانولا با فناوری نانو را دارد تا با رقابت با شرکت NutraLease بتوانند جایی در بازار بدست آورد و سهمی در تجارت برای خویش ایجاد نماید.
محصول سوم جذابتر از محصول فوق است و مورد علاقه همه بچهها است. 3- آدامسهاي شكلاتي: محصولی جديد از شركت صنايع غذايي OLala است. همان طور كه ميدانيم تاكنون كره كاكائو نتوانسته جاي پليمرهاي مورد استفاده در آدامس كه باعث خاصيت كشساني آن ميشود را بگيرد. در واقع اين چربيها باعث از هم گسيختگي آدامس و كش نيامدن آن ميشود. اما اين بار شركت OLaLa در شيكاگو راه حلي براي رفع اين مشكل ارائه كرده و با استفاده از بلورهاي نانومقياس توانسته است باعث اصلاح شكل سطح آدامس شده و آدامس را به صورت يك بافت كرمي با طعم شكلات در آورد. بعد از این موفقیت بزرگ، هم اکنون این شرکت انواع مختلفی از این شکلاتها را با مزهها و طعمهای متفاوت تولید میکند. آدامسهاي شكلاتي كه به اين روش توليد شدهاند در بازار به قیمتهای مختلف عرضه میشوند. قیمت یک بسته 12 تایی این شکلات حدود 20 دلار و قیمت یک جعبه آن حدود 157 دلار اشت که شامل 144عدد شکلات است به همراه اشانتیون می باشد.
4- كرم صورت فولريني: این کرم محصولي از شركت Zelensاست. اين كرم همان طور كه از نامش پيداست حاوي فولرين C60 است و داراي خواص آنتياكسيدان بسيار قوی و قابل توجهي است؛ سازنده و مخترع این داروی آرایشی- بهداشتی یک دانشمند پژوهشگر انگلیسی به نام دکتر مارکو لنز (Dr.Marko Lens) است؛ که درجه دکترای جراحی پلاستیک و بازسازی پوست خود را از دانشگاه هاروارد و کالج رویال انگلستان اخذ نموده است. ایشان دارای سابقه تحقیق و پژوهشهای بنیادین بوده و مقالات زیادی در حوزه سرطان پوست، ترمیم و بازسازی چروک پوست صورت را تالیف نموده است. به ادعاي دکتر لنز و همچنین مسئولان شركت Zelens، این اولين محصولي است كه در آن از تواناييهاي فولرين در صنايع آرايشي استفاده شده است. به همين جهت این شرکت براي محصول خود مبلغی معادل 150 پوند (250 دلاري) که تقریباً برابر با 240 هزار تومان میباشد را در نظر گرفته است تا هزینههای این تحقیقات پوشش داده شود. البته میتوان با در نظر گرفتن رقبای جدید و ورود شرکتهای دیگر به این عرصه، پیش بینی نمود که قیمت این محصول نیز در آینده شکسته شده و کاهش یابد. 5- چوب بيسبال ساخته شده بر اساس نانولوله کربني (CNT Bat) : محصولي از شركت استون اسپرتس (Easton Sports)است. این شركت- استون اسپرت- واقع در Van Nuys كاليفرنيا با همكاري شركت Zyvex واقع در تگزاس آمریکا توانست چوب بيسبال CNT را توليد كند. شرکت Zyvex در تگزاس نانو لولههاي كربني مورد نياز شرکت استون اسپرتس را توليد ميكند و به کالیفرنیا میفرستد. علاقمندان برای اطلاعات بیشتر میتوانند به آدرس الکترونیکی این شرکت http://baseball.eastonsports.com مراجعه نمایند.
علت تولید این چوب های بیسبال توسط شرکت استون اسپرتس چه بود؟ در چوبهاي بيسبال فعلي، با فيبركربني، فاصله بين الياف را تنها رزين پر كرده است و اين مسأله باعث تضعيف قدرت اين چوبها ميشود. لذا شركت استون با پخش كردن نانو لولههاي کربني توليد شده شرکت Zyvex روي رزين پايه به رفع اين مشكل پرداخت. نتيجه حاصله، چوب بيسبالي شده است كه تمامي بازيكنان در هر سني كه باشند میتوانند بيشترين انعطاف، قابليت پاسخ و همچنین قدرت ضربه بيشتري را با ضربهزدن به محل مورد نظر به دست آورده و در نتيجه به حداكثر عملكرد خود در مدت قانوني بازي دست یابند. هزينه پایه برای استفاده از اين فناوري از 175 دلار آغاز و بسته به نوع و جنس افزایش مییابد.
6- لباسهاي عرقگير ضد رطوبت: محصولي از شركت نانوتكس(Nano Tex) بوده که اين شرکت در سالهای گذشته با توليد پارچههای ضد چروک و ضد لکه و همچنین تولید ملحفه های خشكتر و راحتتر در فهرست ده شرکت برتر قرار گرفت، امسال با فهرست متنوع زیادی از لباسها و پارچههايي ضد مايعات، ضد الكتريسيته ساكن و ضدلك ظاهر شده است. اين محصولات جديد به دليل داشتن رديفي منحصر به فرد از موهاي ظريف و کوچک، ضمن نشان دادن چنين ویژگی هایی از خود، فرد را نیز آزار نميدهند. اين شركت در آیندهای نزدیک در نظر دارد با توليد راحت ترين لباسهاي عرقگير كشباف و نخي كه از رزين براي بهبود خواص آن استفاده شده و مبتني بر فناوري به ثبت رسيده جذب رطوبت است، فعاليت خود را گسترش دهد. با اين كار ضمن حفظ راحتي مصرف كننده با جذب رطوبت در حداقل زمان ممكن كه ده بار سريعتر از الياف نخيِ رزينيِ امروزي ميباشد، بدن وي را هم خشك نگه ميدارد. یک شرکت ایرانی نیز به نام پوشاک گراد چندی است در تبلیغات تلویزیونی خویش ادعای فروش این نوع محصولات را در ایران میکند.
7-جورابهاي محافظ سرما مبتني بر فناوري نانو: این جورابها محصول شرکت Arc Outdoors است؛ که در حال حاضر جورابهاي پلياستري محافظ سرما (Arctic Sheild) را تولید مینماید. توليدات شركت Arc Outdoors واقع در اوكلاهاما در فروشگاهها به فروش ميرسد. در ضمن در الياف اين جورابها از ذرات 19 نانومتري نقره استفاده شده است. خاصیت نقره وکاربردهای نانویی آن: نقره از قديم به دليل خواص ضدميكروبي خود شناخته شده بود، اما هيچگاه به خوبي به پليمرها متصل نميشد و در صورت لزوم، آن را به صورت اسپري مورد استفاده قرار ميدادند؛ و يا مستقيماً به صورت نخ فلزي همراه الياف مورد استفاده در ساخت جوراب قرار داده و ميبافتند كه چندان براي مصرف كننده راحت نبود. همچنین شركت نانو هاريزنس(NanoHorizons) با توسعه فرآيندي منحصر به فرد توانست اين مشكل را برطرف كنند. هماكنون محصول آن با نام تركيب پلياستري E47 (E47Polyester Master Compound) عرضه ميشود و با استفاده از آن ميتوان اليافي مصنوعي و راحت براي بافت جوراب و با مقاومت دائمي در برابر بوي بد ساخت.
8و9– افزودنيهاي NanoGuard و شيشههاي خودتميز شونده: افزودنيهاي NanoGuard كه محصول اتحاديه رنگ Behr Kitchen & Bath و حاصل كار شركت كاليفرنيايي Behr واقع در Santa Ana ميباشد و هم اكنون در همه جا قابل دسترسي است. اين شركت با اضافه كردن افزودنيهايي در ابعاد نانو، چگالي بيشتري براي حاملهاي آبي پلاستيك آكريليك فراهم آورد. با خشك شدن اين حاملها، اين افزودنيهاي NanoGuard موجب ايجاد لايه نازكي ميشود كه سختتر، مقاومتر و ضد آب و كپك و لك و چربي (گريس) است پوشاندن شيشههاي جديد (Sic) Activ توليدي Pilkington، با مقدار کمي از فيلم نانومتري حساس به نور (photoactive) ، موجب ميشود تا سطح آن به نحو مؤثري تميز شود؛ به اين ترتيب که تابش نور خورشيد به آن باعث واكنش شيميايي اين فيلم با كثيفيهاي آلي نشسته بر سطح شيشه ميشود. و در صورت بارش باران يا گرفتن شلنگ آب بر آن قطرات آب به طور يكنواخت و هموار روي سطح شيشه پخش ميشود.
10- هواي تميز با تصفيهكنندههايNanoBreeze: بخش اصلي و فعال تصفيه كنندههاي هواي NanoBreeze شركت Salem و فناوريهاي NanoTwin مبتني برN.H، را نوعي نانولوله ثبت شده تشكيل ميدهد؛ که خود اين لوله به حد كافي براي انجام اين كار بزرگ است اما آن را داخل حلقه فايبرگلاسِ پوشيده شده با لايهاي از بلورهاي دياكسيد تيتانيوم، با ابعاد 40 نانومتر قرار ميدهند. اين نانولوله با تابش پرتوهاي UV موجب باردار شدن اين بلورها ميشود؛ در نتيجه عوامل اكسيد كننده قوي ايجاد ميشوند به طوري كه با چرخش هوا در سطح اين لوله، كثيفيها و آلودگيهاي موجود در هوا از بين خواهند رفت.
روشهای کسب اطلاعات در ابعاد نانو
مقدمه بخشی از فناوری نانو دنيایی را که هر روز در جريان است مطالعه میکند، فقط کمی عمیق تر و کمی پايينتر آنجاهايي که ما با چشمهايمان نمیتوانيم مشاهده کنیم. پس برای ورود به این بخش از فضای نانو لازم است کمی به سراغ مطالب پایه فيزيک و شيمی برويم و مفاهيم اوليه را مرور کنيم؛ در این نوشتار ابتدا مروری بر مفاهیم پايه و اجزای ساختاری ماده صحبت خواهیم کرد سپس سراغ لوازم و ابزار و وسايلی میرويم که دنيایی را که در پايين وجود دارد، برای ما نمايان میکند. انشاالله در مقالات بعدی هر کدام از اين ابزارها را بطور کامل شرح خواهيم داد.
اجزای سازنده مواد و نيروی بين آنها برای درک از اجزای طبيعت باید به این نکته توجه کرد که اتمها بلوکهای سازنده مواد هستند و هر ماده از اتمهای خاص تشکيل شده که وقتی در کنار يکديگر قرار میگيرند مولکولها را شکل میدهند، تعداد اين اتمها محدود است (بيش از صد نوع اتم) ولی وقتی کنار هم قرار میگيرند صدها هزار مولکول که هر کدام خواص متفاوتی دارند را تشکيل میدهند. چيزي که اتمها را در يک مولکول و مولکولها را در يک ماده کنار هم حفظ میکند نيروهايي است که مانند جاذبه و دافعه دو آهنربا عمل میکنند. اين نيروها بين الکترونها و هسته اتمها وجود دارند و در نوع خود بسيار قوی هستند. شنيدهايد که يک مورچه میتواند چند برابر وزن خودش را حمل کند! آيا شما ميتوانيد دوبرابر وزن خود را حکل کنید؟ با اين حساب مورچه قویتر است یا شما؟ اينکه میگوييم پيوند بين اتمها در نوع خود خيلی قوی و مستحکم است دقيقاً مانند همین مثال قدرت مورچهها است. گفتيم که از اتصال مولکولها ماده ساخته میشود، در واقع شدت پيوند بين مولکولی و نيروی بين مولکولها سبب میشود تا ماده به شکل مايع، جامد يا گاز باشد. البته نوع پيوندها نيز در رفتار ماده تاثير زيادی دارند، برای مثال بعضی پيوندها که به پيوند يونی معروف هستند باعث میشوند ماده رسانای جريان برق باشد. تعداد و جهت و زاويه متفاوت يک نوع پيوند نيز سبب بروز خواص متفاوت میشود. برای مثال الماس و گرافيت هر دو از اتمهای يک عنصر يعنی کربن تشکيل شدهاند، ولي از آنجايي که تعداد و نحوه قرارگيری پيوندها بين اتمهایِ آن متفاوت است، الماس بسيار مستحکم است و گرافيت بسيار نرم. مشاهده مولکولها با استفاده از ميکروسکوپ ميکروسکوپی که شما در مدرسه از آن استفاده میکنيد تا سلولهای موجودات زنده را مشاهده کنيد بسيار ساده است و برای مشاهده دنيای نانو کارآمد نيست. امروزه انواع گوناگونی ميکروسکوپ وجود دارد که قادر است اطلاعات مفيدی از ابعاد نانو به ما بدهد. هر کدام از اين دستگاهها پيچيدگی خود را دارند و از ترفندهای مختلفی بهره میگيرند تا از ابعاد ريز و در حد و اندازه مولکولها به ما اطلاعات بدهند. علاوه بر پيچيدگی و پر رمز و راز بودن اين ميکروسکوپها تفاوت اصلی آنها با ميکروسکوپهای ساده و نوري مدرسه این است که آنها بصورت غير مستقيم از دنيای نانو به کسب اطلاعات میپردازند. درست مانند اقيانوس شناسان که بدون رفتن به زير آب اقيانوسها و قدم زدن در کف آن، نقشه پستیها و بلندیهای کف اقيانوس را ترسيم میکنند يا فضا نوردان که بدون سفر به تمام نقاط کره ماه یا هر سياره و ستارهای ارتفاعات و کوههای آن سياره را شناسايي میکنند. شبيهسازي كف دريا كه با استفاده از پردازش دادهها صورت ميگيرد، مدتهاست که در تحقيقات و مطالعات اقيانوسشناسي به كار ميرود. اقيانوسشناسانِ اوليه به انتهاي كابلهاي بلند وزنههايي ميآويختند و ته دريا ميفرستادند. اين وزنهها كف دريا را ميپيمودند و ناهمواريها و شيارهاي آن را از طريق كابلها روي كاغذهاي شطرنجي نقش ميكردند. اقيانوسشناسان جديد، كابل و وزنه را به كناري نهادهاند و فناوري رادار را به خدمت گرفتهاند. آنها امواج صوتي را از يك كشتي اقيانوسپيما به كف دريا گسيل ميكنند و با ثبت فاصلة كف با منبع گسيلكننده ناهمواريهاي كف را ترسيم مينمايند. ماهوارهها هم به همين روش ميتوانند امواجي را به اعماق ناشناختة فضا بفرستند و با محاسبة زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگيرند. اساس کار ميکروسکوپهای پيشرفته نيز مانند ماهوارهها و رادارها، کسب اطلاعات به صورت غير مستقيم است.
ميکروسکوپ نيروی اتمی AFM : اين نوع ميکروسکوپ نيروی اتمی شباهت زيادی به کابلهای اقيانوسشناسهای قديمی و کهنه کار دارد. یک جورهايي نيز شبیه دستگاه گرامافون از يک سوزن بسيار نوک تيز تشکيل شده که اين سوزن روی سطح لوح در شيارهای آن حرکت میکند و پستی - بلندی های سطح را به صدا تبديل ميکند. و اما وظيفه ميکروسکوپ نيروی اتمی چيست؟ ميدانيم كه تمامي اجسام هراندازه هم كه به ظاهر صاف و صيقلي باشند، باز هم در سطح خود داراي پستي و بلندي و ناصافيهايي هستند. به عنوان مثال سطح شيشه بسيار بسيار صاف و صيقلي به نظر ميرسد، اما اگر در مقياس خيلي کوچک به آن نگاه کنيم، خواهيم ديد که سطح شيشه پر از ناصافيها يا به عبارتي "دست انداز" است. كار ميكروسكوپ نيروي اتمي نشاندادن اين ناصافيها و اندازهگيري عمق آنهاست. ثبت چگونگي قرارگيري و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستي و بلنديها در يك سطح خاص از ماده را "توپوگرافي" مينامند. همانطور که میدانيد نيروهاي بسيار کوچکي بصورت جاذبه و دافعه بين اتمهاي باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر ناهمنام آهنربا که باعث دفع و جذب مي شوند.) چنين نيروهايي بين نوک ميکروسکوپ و اتمهاي سطح ايجاد ميگردد. با اندازه گيري نيروي بين اتمها در نقاط مختلف سطح، ميتوان محل اتمها روي آن را مشخص کرد. برای آشنايي بيشتر با ميکروسکوپ نيروی اتمی به مقالهای که در اين مورد در باشگاه نانو نوشته شده مراجعه کنيد
ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی SEM : در ميکروسکوپ نيروی اتمی يک انبرک با نوک بسيار حساس روی سطح حرکت میکرد و اطلاعات مورد نياز را از ابعاد نانومتری به ما میداد. حال اگر به جای نوک و انبرک از الکترون استفاده کنيم ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی ساختهايم. اين دسته میکروسکوپها پروتويي از الکترونها را به هر آنچه که ميخواهند بررسی و مطالعه کنند، شليک میکنند، به این ترتيب انرژی الکترونهای شليک شده به سطح مورد نمونهِ موردِ مطالعه منتقل میشود. الکترونهای پرتو (که الکترونهای اوليه ناميده میشوند) الکترونهای نمونه را جدا میکنند. اين الکترونهای جدا شده (که الکترونهای ثانويه ناميده میشوند) به سمت صفحهای که دارای بار مثبت است کشيده میشوند و در آنجا تبديل به "سيگنال" میشوند. اين سيگنالها توسط رايانه به تصاوير قابل مشاهده تبديل میشوند. ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی علاوه بر اطلاعات توپوگرافی؛ شکل، اندازه و نحوه قرار گيری ذرات در سطح جسم را که به مورفولوژی جسم معروف است به ما ميدهد. نوع های پيشرفته تر اين دستگاه قادر هستند که ترکيب اجزایی که نمونه را میسازد را نيز مشخص کنند. اين ميکروسکوپ برای مشاهده نمونههايي که از خود بخار آزاد میکنند، مناسب نيست چرا که بخارات توليد شده با الکترونهای شليک شده به نمونه برهمکنش پيدا میکنند. برای رفع اين عيب ميکروسکوپهايي به بازار آمده که قادرند در دمای بسيار پايين و از نمونه منجمد تصوير برداری کنند.
ميکروسکوپ انتقال الکترونی TEM : در ميکروسکوپِ SEM الکترون اوليه پس از شليک به سطح نمونه برخورد میکرد و الکترون ثانويه از همان سطح نمونه خارج میشد و به سمت صفحه مثبت میرفت و تبديل به سيگنال میشد. در واقع در آن ميکروسکوپ، نمونه مانند یک آينه عمل میکرد که الکترونهای ثانويه از همان سطحی خارج میشد که الکترونهای اوليه وارد شده بودند (فقط با زاويه متفاوت). ميکروسکوپهای TEM نيز همانند SEM از تکنيک شليک الکترونها به نمونه بهره میبرند با اين تفاوت که در ميکروسکوپ انتقال الکترونی (TEM) پروتو الکترونهایی که به نمونه شليک میشوند، از نمونه عبور میکنند و به یک پرده فسفریِ آشکارساز میخورند تا يک طرح از ساختار نمونه به ما ارايه دهند. به عبارت سادهتر TEM يک نوع پروژکتور نمايش اسلايد در مقياس نانو است. وضوح و دقت تصاوير گرفته شده توسط ميکروسکوپ انتقال الکترونی از پيمايشگر الکترونی بهتر است اما به سبب گران بودن آن و همچنین سختتر بودن مراحل آماده سازی نمونه برای قرار گرفتن در زير ميکروسکوپ انتقال الکترونی، بيشتر از SEM استفاده میشود و فقط در مواردی که ساختار بلوری(نحوه قرار گيری اتمها در شبکه بلور) مهم باشد از ميکروسکوپ TEM استفاده میشود.
ميکروسکوپ پيمايشگر تونلی STM : اگر بخواهید از سطح صلبی تصوير برداری کنید که الکتريسيته را عبور میدهد لازم است تا از ميکروسکوپ پيمايشگر تونلی استفاده کنید. اين ميکروسکوپها شباهت زيادی به ميکروسکوپهای نيروی اتمی (AFM) دارند در اين ميکروسکوپها از نوعی جريان الکتريسته استفاده میشود که زمانیکه نوک در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری از آن حرکت میکند، برقرار میشود. در اين زمان جريان شروع به انتقال از سطح به نوک میکند. توجه داشته باشيد که بين نوک و سطح فاصله وجود دارد و الکترونها از يک سد انرژی عبور میکنند (به اين فرآيند اصطلاحاً تونل زنی گفته میشود) در حين تونل زنی اگر جريان ثابت باشد تغييرات فاصله نوک تا نمونه اطلاعات سطح را به ما میدهد. اگر هم فاصله نوک و نمونه را ثابت نگه داريم تغييرات جريان تونل زنی اطلاعات سطح را به ما خواهد داد. اينکه از کدم مد يا حالت استفاده کنيم به شرايط نمونه و خواستههای ما ربط دارد. معمولاً در حالتی که سطح نمونه نامنظم باشد از مد جريان ثابت استفاده میشود و زمان بيشتری را به نسبت مد ارتفاع ثابت لازم دارد.
ميکروسکوپها و جايزه نوبل نخستين ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی (SEM) در سال 1942 ميلادی عرضه شدند و شکل امروزی آن اولين بار در سال 1965 ميلادی وارد بازار شدند. ميکروسکوپ پيمايشگر تونلی نيز در سال 1981 در آزمايشگاه تحقيقاتی شرکت IBM اختراع شد و مخترعان STM در سال 1986 همراه با ارنست روسکا که از جوانی روی ميکروسکوپهای الکترونی کار میکرد برنده جايزه نوبل فيزيک شدند.
تلاشهای آنزمان دانشمندان برای دسترسی به فضای ريز و مقياس نانو باعث شد تا امروزه فناوری نانو به عنوان يک فناوری مهم و تاثير گذار مورد توجه قرار گيرد.
میکروسکوپ پیمایشگر تونلی
در امر فناوری نانو ابزار و تجهیزات نقش مهمی را ایفا می کنند چرا که بدون ابزار مسلما فعالیت در حوزه نانو امری غیرممکن است. در گذشته به علت ضعف فناوری و نیز نبودن وسایل اندازه گیری و آنالیز بسیاری از محققان حتی نمی دانستند که تحقیقی که انجام می دهند در حوزه فناوری نانو است. مثالی از این مورد را می توان در شیشه های رنگی کلیسا ها پیدا کرد که مربوط به چند صد سال قبل است و امروزه محققان با کمک ابزارهای بررسی و آنالیز به این امر پی برده اند که در ساخت این شیشه ها فناوری نانو بکار رفته است. در این سری از مقالات سعی می شود تا تجهیزات و ابزارهای مورد استفاده در این فناوری برای محققان و علاقمندان به تحقیق در این حوزه معرفی شود. در این مقاله به معرفی میکروسکوپ پیمایشگر تونلی میپردازیم که جدیدا توسط آقای دکتر صابر در مرکز تحقیقات علوم و تکنولوژی در پزشکی ساخته و ارائه شده است.
شکل 1) نمایی از NAMA-STM ساخته شود توسط محقق ایرانی
میکروسکوپ پیمایشگر تونلی (Scanning Tunneling Microscopy) که به طور اختصار به آن STM گفته می شود برای بررسی و تصویربرداری از سطوح صلب و فلزی که الکتریسیته را عبور می دهند بکار می رود. این میکروسکوپ نتیجه تحقیقات Russell Young و همکارانش در فاصله 1965-1971 در مرکز تحقیقات ملی است. در این میکروسکوپ از نوعی جریان الکتریسیته (جریان تونلی) استفاده می شود که علت نامگذاری آن است. زمانی که نوک میکروسکوپ در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری آن حرکت میکند جریان برقرار می شود (شکل 2).
شکل 2) نوک قلم STM آنقدر تیز و باریک است که به راحتی در بین اتم ها بالا و پایین می رود
نوک قلم بر روی یک تیوب فیزوالکتریک قرار دارد. زمانی که ولتاژ به الکترودهای متصل به این تیوب داده می شود با اندک تنظیماتی می توان جریان ثابت تونلی ایجاد کرد و در هنگام اسکن، نوک را در فاصله ثابتی از نمونه سطح قرار داد. حرکت تیوب فیزوالکتریک ثبت می شود و به صورت یک تصویر به نمایش در می آید. با استفاده از میکروسکوپ پیمایشگر تونلی می توان اتمهای منفرد روی سطح نمونه را به صورت سه بعدی مشاهده کرد. از این تکنیک برای اجسامی مانند مواد رسانا و مولکول های DNA استفاده می شود (شکل3).
شکل 3) نمای شماتیک از نحوه کارکرد STM
مزیت این نوع تصویربرداری این است که نیاز نیست با کار در خلاء انجام شود (در اکثر موارد از خلاء برای جلوگیری از آلوده شده نمونه استفاده می شود) بلکه می توان از آن برای آنالیز اجسام در هوا یا مایعات نیز استفاده کرد. شکل 4 نمایی از سطح فلز مس را نشان می دهد که توسط M. F. Crommie, C. P. Lutz, and D. M. Eigler در مرکز تحقیقات IBM گرفته شده است. این محققان توانستند با وضعیت دهی به اتمها از نمونه تصویربرداری کردند.
شکل 4) تصویر گرفته شده از سطح نمونه مس در IBM
میکروسکوپ TEM
اساس عملکرد میکروسکوپ انتقال الکترونی (Transmission Electron Microscope) که به اختصار به آن TEM گویند مشابه میکروسکوپ های نوری است با این تفاوت که بجای پرتوی نور در آن از پرتوی الکترون استفاده می شود. آنچه که می توان با کمک میکروسکوپ نوری مشاهده کرده بسیار محدود است در حالی که با استفاده از الکترونها بجای نور، این محدودیت از بین میرود. وضوح تصویر در TEM هزار برابر بیشتر از یک میکروسکوپ نوری است. با استفاده از TEM می توان جسمی به اندازه چند انگستروم (10 -10 متر) را مشاهده کرد. برای مثال میتوانید اجزای موجود در یک سلول یا مواد مختلف در ابعادی نزدیک به اتم را مشاهده کنید. برای بزرگنمایی TEM ابزار مناسبی است که هم در تحقیقات پزشکی، بیولوژیکی و هم در تحقیقات مرتبط با مواد قابل استفاده است. در واقع TEM نوعی پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو است که در آن پرتویی از الکترون ها از تصویر عبور داده می شود. الکترون هایی که از جسم عبور می کنند به پرده فسفرسانس برخورد کرده سبب ایجاد تصویر از جسم بر روی پرده می شوند. قسمت های تاریک تر بیانگر این امر هستند که الکترون های کمتری از این قسمت جسم عبور کرده اند (این بخش از نمونه چگالی بیشتری دارد) و نواحی روشن تر مکانهایی هستند که الکترون از آنها عبور کرده است (بخش های کم چگال تر). وضوح این میکروسکوپ 2/0 نانومتر است که در حد اتم است (بیشتر اتم ها ابعادی تقریبا برابر 2/0 نانومتر دارند). با این نوع میکروسکوپ حتی می توان نحوه قرار گرفتن اتمها در یک ماده را بررسی کرد. استفاده از این میکروسکوپ گران و وقت گیر است چرا که نمونه باید در ابتدا به شیوه ای خاص آماده شود لذا تنها در مواردی خاص از میکروسکوپ انتقال الکترونی استفاده نمایند. از این میکروسکوپ جهت تحلیل و آنالیز ریخت شناسی، ساختار کریستالی (نحوه قرارگیری اتمها در شبکه کریستالی) و ترکیب نمونه ها استفاده می شود.
عملکرد میکروسکوپ: با کمک یک منبع نور در بالای میکروسکوپ ، الکترون ها گسیل و منتشر می شوند. الکترون ها از تیوب خلاء میکروسکوپ عبور می کنند. در میکروسکوپ های نوری از عدسی های شیشه ای برای متمرکز کردن نور استفاده می شود در حالی که در TEM از عدسی های الکترومغناطیسی استفاده می شود تا الکترون های را جمع و متمرکز ساخته به صورت یک پرتوی باریک گسیل نماید. این پرتوی الکترونی از نمونه عبور داده می شود. بسته به چگالی مواد، الکترون ها ممکن است از بخش هایی از جسم بگذرند و به صفحه فلورسانس برخورد نمایند و تصویر سایه مانندی از نمونه ایجاد کنند که میزان تیرگی بخش های مختلف جسم به چگالی مواد در ان بخش ها وابسته است. هر چه جسم کم چگال تر باشد تصویر تیره تر خواهد بود. این تصویر می توان مستقیما توسط اوپراتور مطالعه شود و یا با کمک یک دوربین تصویر برداری شود.
آماده سازی نمونه: همانطور که در بالا اشاره شد، آماده کردن نمونه نیز به دقت خاصی دارد که در ادامه به نحوه آماده سازی نمونه برای مطالعه آن با TEM اشاره می شود. در TEM، نمونه ای که می خواهید بررسی کنید باید چگالی آن به حتی باشد که اجازه دهد تا الکترونها تا حدی از آن عبور کنند. راه های مختلفی برای تهیه این نوع نمونه وجود دارد. می توانید برش های بسیار نازک از نمونه مدنظر تهیه کنید و آن را در یک پلاستیک فیکس و ثابت نمایند یا اینکه آنرا منجمد کنید. روش دیگر تهیه نمونه ایزوله کردن نمونه و مطالعه محلولی از مولکول ها یا ویروس های مورد نظر با کمک TEM است. همچنین می توان نمونه را با روش های مختلف رنگ کرد و با استفاده از مارکر گذاری آنرا مطالعه کرد. برای مثال، فلزات سنگین رنگ شده مانند اورانیوم و سرب الکترون های را به خوبی متفرق می کنند و کنتراست نمونه را در زیر میکروسکوپ بهبود می بخشند. در ادامه روش تهیه دو نمونه برای مطالعه آنها با TEM آورده شده است: 1. تهیه برش با کمک مواد در برگیرنده: مواد زیستی شامل مقادیر آب می باشند. به علت این برای استفاده از TEM باید کار در خلاء انجام شود لازم است تا آب به گونه ای تبخیر و یا جداسازی شود (با کمک الکل یا استون) و در نهایت نمونه فیکس و ثابت می شود. حال نمونه در پلاستیکی محصور می شود (به شکل یک بلوک پلاستیکی سخت) و سپس برشهای نازکی از آن به کمک چاقوی الماس مربوط به دستگاه اولترامیکروتوم (برای ایجاد برش های بسیار ظریف) تهیه می شود که تنها 50-100 نانومتر ضخامت دارند. برش های تهیه شده روی یک توری مسی قرار داده می شوند و با کمک فلزات سنگین رنگ می شوند. حال نمونه بافت آماده مطالعه با کمک پرتوی الکترونی TEM می باشد.
2. تهیه نمونه به روش رنگ کردن: در این روش از مواد ایزوله (که می توانند برای مطالعه باکتری ها و یا مولکول های ایزوله استفاده شوند) استفاده می شود به این طریق که ابتدا محلول محتوای باکتری روی توری ریخته و با پلاستیک پوشانده می شود. محلول نمکی یک فلز سنگین (مانند اورانیوم یا سرب) به آنها اضافه می شود. محلول نمکی فلز با مواد ترکیب نمی شود اما هاله ای را اطراف آن بر روی توری تشکیل می دهد. نمونه به صورت یک تصویر منفی در هنگامی که با کمک TEM مورد مطالعه قرار می گیرد نمایان می شود.
میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی SEM
میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی که به آن Scanning Elecron Microscope یا به اختصار SEM گویند یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری نانو است که با کمک بمباران الکترونی تصاویر اجسامی به کوچکی 10 نانومتر را برای مطالعه تهیه می کند. ساخت SEM سبب شد تا محققان بتوانند نمونه های بزرگتر را به سادگی و با وضوح بیشتر مطالعه کنند. بمباران نمونه سبب می شود تا از نمونه الکترونهایی به سمت صفحه دارای بار مثبت رها شود که این الکترون ها در آنجا تبدیل به سیگنال می شوند. حرکت پرتو بر روی نمونه مجموعه ای از سیگنال ها را فراهم می کند که بر این اساس میکروسکوپ می تواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحه کامپیوتر نمایش دهد. SEM اطلاعات زیر را در خصوص نمونه در اختیار میگذارد: - توپوگرافی نمونه: خصوصیات سطوح - مورفولوژی: شکل ، اندازه و نحوه قرارگیری ذرات در سطح جسم - ترکیب: اجزایی که نمونه را می سازند
چگونه SEM کار می کند؟ SEM وسیله ای است که به کمک آن می توان تصویر بزرگتر از نمونه را با کمک الکترون های (به جای نور) خلق کرد. پرتویی از الکترون ها با کمک تفنگ الکترونی میکروسکوپ تولید می شود.
پرتوی الکترونی در خلاء به صورت عمودی از میکروسکوپ عبور می کند. سپس با عبور از میدان های الکترومغناطیسی و لنزهای ویژه به صورت متمرکز به نمونه تابانده می شوند. به محض برخورد پرتو با نمونه، الکترون ها و اشعه های ایکش از نمونه خارج می شوند.
سپس آشکارسازها پرتوهای ایکس، الکترونهای اولیه و الکترونهای ناشی از برخورد الکترونهای اولیه با جسم را جمع آوری می کنند و آنها را به سیگنال مبدل کرده به صفحه نمایش (مانند صفحه تلویزیون) منتقل می کنند و به این طریق تصویر نهایی تهیه می شود.
آماده سازی نمونه قبل از هر کار باید آب از نمونه جدا شود چرا که آب در خلاء تبخیر می شود. تمامی فلزات رسانا هستند لذا نیازی به آماده سازی آنها برای تهیه تصویر با SEM نیست. موادی که جزء دسته فلزات نیستند باید به وسیله یک لایه نازک رسانا پوشانده شوند. این کار به کمک ابزاری به نام پوشش دهنده انجام می شود که برای این کار از میدان الکتریکی و گاز آرگون استفاده می شود. برای این کار نمونه در یک محفظه ای که خلاء قرار داده می شود و گاز آرگون و میدان مغناطیسی سبب می شوند که الکترون از آرگون جدا شده و سبب شوند تا اتمها بار مثبت داشته باشند. یونهای آرگون توسط فویل طلای دارای بار منفی جذب میشوند. یونهای آرگون به اتمهای طلا ی سطح فویل طلا برخورد می کنند. این اتمهای طلا روی سطح نمونه قرار می گیرند و سبب ایجاد یک پوشش رسانا از طلا بر سطح نمونه می شوند.
خطرات نانو ذرات
مقدمه نانوذرات همانند يک شمشیر دولبه دارای اثرات مفید و مضر می باشند در مقالات قبلی سايت مطالبی درباب برخی کاربردهای اين دسته از مواد نوشته شد و این نوشتار قصد دارد به برخی از اثرات مضر و خطرناک نانو ذرات اشاره کند. بیشک اگر به روشهای صحيح کار با نانوذرات توجه شود از خطرات آن کاسته خواهد شد.
اثرات مضر بر سلامتی نانوذرات به دوليل میتوانند برای سلامتی مضر باشند؛ اول اينکه میتوانند خيلی سریع از طریق پوست و سلولهای مخاطی جذب بدن شوند و دوم اينکه به دليل جدید اين مواد مسموميتهای جدید و ناشناختهای را به وجود بياورند.
منابع نانو ذرات نانو ذرات به لحاظ منشا می توانند به سه دسته تقسیم بندی شوند. الف) نانوذرات طبیعی ب) نانوذرات انسانی ج) نانو ذرات مصنوعی ( ساخته دست بشر) دسته اول ( نانو ذرات طبیعی) از طرق مختلف مانند آتش سوزی جنگلها و یا فوران آتشفشانها ساخته می شوند. دسته دوم (نانوذرات انسانی) اغلب به عنوان محصول جانبی فعالیتهای انسانی در صنعت توليد میشوند مانند نانو ذراتی که درحين جوشکاری بوجود میآيد و يا از اگزوز ماشينها خارج میشود دسته سوم ( نانو ذرات مصنوعی یا ساخته دست بشر) شامل نانوذرات مهندسی شده می باشد. این نانوذرات عمدتاً به علت ویژگیهای مطلوبشان مانند خواص جدید فیزیکی و شیمیایی ، واکنش پذیری بالاترو... تهیه می شوند. این ویژگیهای جدید مواد معمولی که فقط در مقیاس نانو مشاهده می شود دارای کاربردهای تجاری می باشد. مثلأ نانو ذرات می توانند در کرمهای ضد آفتاب ، یا خمیر دندانها و یا پوششهای بهداشتی استفاده شوند.
چرا نانو ذرات می توانند خطرناک باشند؟ وقتی مواد در مقیاس نانو تبدیل شوند در خواص شیمیایی ، بیولوژیکی و فعالیتهای کاتالیتکی آنها تغییراتی ایجاد می شود . بنابراین موادی که در حالت بالک (توده ای) بی خطر هستند وقتی به حالت نانو تبدیل شوند میتوانند سمی و خطرناک باشند. به علاوه اندازه کوچک نانوذرات باعث می شود تا این مواد بتوانند بر سد های دفاعی بدن فائق آیند. (برای یادآوری تفاوت خواص در حالت توده ای و نانو روی این لينک کليک کنید)
مهمترین خواص بحث بر انگیز نانو ذرات: الف) فضای سطحی بزرگ ( باعث افزایش فعالیت های شیمیایی و بیولوژیکی می شود.) ب) ویژگیهای جدید مانند انحلال پذیری و فعالیت بیشتر، شیمی شکل و سطح ج) تحرک بسیار زیاد در بدن انسان د) توانایی نفوذ به غشا سلولی
در چه شرایطی نانو ذرات خطرناک هستند؟ بعضی بر این باورند که انسانها آنقدر در معرض نانو ذرات نمی باشند که برای آنها ایجاد خطراتی از جنبه سلامتی کند. برای مثال گزارش شده است که بلعیدن TiO2 توسط انسان بی ضرر است. اما اگردر معرض نانو ذرات بودن بیشتر از حد معمولی گردد احتمال ایجاد خطر بر سلامتی وجود دارد. عامل دیگری که باعث نگرانی در مورد نانو ذرات می باشد این است که که نانوذرات می توانند به دیگر آلاینده های خطرناک در آب یا هوا متصل شوند یا با آنها واکنش دهند و در نتیجه ورود آنها را در بدن آسانتر سازند. در ارزیابی خطرات نانو ذرات نکاتی مانند { الف) اندازه و توزیع اندازه ب) شکل ج) خواص د) بار سطحی ه) جرم ، غلظت و تعداد } قابل توجه می باشند اندازه ذرات در توزیع آنها در بدن موثر است . ذرات بزرگتر از nm١٠٠ به مغز استخوان نمی رسند و ذرات بزرگتر از nm ٣٠٠ در خون وجود ندارند. بار سطحی ذرات در توزیع آنها در بدن نقش دارد.
مراحل اثر گذاری نانوذرات بر سلامتی: مفاهیم کلی فرایندها از مرحله در معرض نانو ذرات قرار گرفتن تا ایجاد بیماری در شکل زیرنشان داده شده است.
همانطور که در شکل نشان داده شده است اولین مرحله در ایجاد خطر بر سلامتی در معرض نانو ذرات قرار گرفتن می باشد. نکته قابل ذکراین است که نانوذرات باید توانایی ورود به بدن و سپس پخش شدن در بافتهای هدف را داشته باشند. سپس نانوذرات وارد شده به بدن باعث اخلال در عملکرد دستگاههای بدن می شوند. این اثرات ابتدا کم وجزئی هستند ولی چنانچه ورود نانو ذرات به بدن ادامه یابد به اثرات غیر قابل برگشت تبدیل می شوند.
برخی راههای کنترل اثرات مضر نانوذرات: الف) از تماس پوست با نانوذرات و یا محلولهای حاوی نانوذرات جلوگیری شود. ( دستکش ، عینک ایمنی و لباس آزمایشگاه استفاده گردد) ب) شستشوی دستها ورعایت بهداشت فردی در محیط کار با نانوذرات انجام گیرد. ج) دفع و انتقال زباله های نانو ذرات طبق اصول زباله های شیمیایی خطرناک صورت پذیرد. د) وسایل مورد استفاده در کار کردن با نانو ذرات باید قبل از استفاده مجدد ، تعمیر یا مصرف از نظر آلودگی بررسی شوند
فناوری نانو و خودرو های امروز
در سال های اخير گزارش هايی به گوش می رسد که نانوفناوری در حال دگرگون کردن دانش بشر است. هزينه های پژوهش و توسعه، به سوی توسعه ی نانوفناوری سرازير شده اند. پتانسيل گسترده اين شاخه از دانش، خودروسازان بزرگ دنيا را به سمت آغاز برنامه های پژوهش و توسعه در زمينه فناوری نانو سوق داده که اين فعاليت ها اغلب با همکاری دانشگاه ها و صنايع ديگر همراه است. در ادامه به معرفی کوتاهی از نمونه های کاربرد فناوری نانو در صنعت خودرو می پردازيم:
• نانوکامپوزيت ها مواد کامپوزیتی مواد مهندسی ای هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شده اند به گونه ای که این مواد مجزا و در مقیاس ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس(زمينه) و تقویت کننده(پرکننده) تشکیل شده است. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می دارد و تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میگردد. يکی از گسترده ترين کاربردهای فناوری نانو در صنعت خودرو تا کنون ساخت نانو کامپوزيت ها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزيت ها، ذرات بسيار ريز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزين را بسيار بالا می برند، جايگزين مواد مرسوم مانند ميکا و تالک شده اند. اما علاوه بر ويژگی های فيزيکی بهتر، اين کامپوزيت ها دارای دو برتری ديگر نيز می باشند: نخست اينکه نانوذرات با ايجاد ماتريکس (زمينه) يکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زيبايی بيشتر را فراهم می کنند و بنابراين نانو کامپوزيت ها سطح زيبا تر و رنگ های شفاف تری دارند. همچنين نانوکامپوزيت ها به دليل نياز به مواد تقویت کننده ی کمتر، تا حدود بيست درصد نسبت به کامپوزيت های رايج سبک ترند.
• اثر نيلوفری و کاربرد آن در ساخت سطوح خود تميز شونده يکی از شناخته شده ترين مزيت های فناوری نانو اثر نيلوفری ست که سطوح خود تميز شونده را امکان پذير می سازد. به سبب ساختار بسيار صاف و يکنواخت سطح گل نيلوفر، قطرات آب و گرد غبار از روی گلبرگ ها می لغزند بی آنکه اثری روی آنها به جای گذارند. بنابراين اگر سطوح اجسام دارای ساختار بسيار صاف و صيقلی (در مقياس نانو) باشند، ذرات آلودگی و همچنين آب روی آنها باقی نخواهد ماند. رنگ ها و پوشش های سقف خودرو که اين اصل طبيعی را به کار می برند امروزه در بازار موجود می باشند. ساختار نانويي اين سطوح، از جمع شدن ذرات آلودگی و قطرات بسيار ريز آب نيز جلوگيری می کند. همچنين رينگ های خود تميز شونده نيز با استفاده از اين ويژگی در حال توليد هستند. همچنين پوشش نانويی در حال توليد است که با اضافه کردن آن به سطح شيشه خودرو (برای مثال به روش اسپری کردن)، فرورفتگی های بسيار ريز سطح شيشه را پر کرده و سطح صاف و بدون پستی و بلندی ايجاد می کند و در نتيجه قطرات ريز آب و گرد و غبار روی شيشه باقی نمی ماند و بنابراين موجب افزايش ديد راننده، استهلاک کمتر برف پاکن ها و نياز کمتر به شستشوی شيشه و همچنين بهبود ديد در شب در نتيجه کاهش انعکاس مضر نور می شود. در تصوير زير چگونگی اين فرآيند نشان داده شده است.
• شيشه های نوين با توانايی بازتاب پرتو فروسرخ نمونه ای ديگر از کاربرد های نانوفناوری در صنعت شيشه خودرو، شيشه هايی با قابليت بازتاب پرتو فروسرخ نور خورشيد می باشد. به اين گونه که يک لايه بسيار نازک از نانوذرات بين دو لايه ی شيشه قرار گرفته اند که وظيفه آنها بازتاباندن پرتو فرو سرخ نور خورشيد و در نتيجه جلوگيری از گرم شدن زياد داخل خودرو می باشد.
• مبدل های کاتاليستی همانطور که می دانید اگر احتراق به طور کامل و ايده آل رخ دهد خروجیهای حاصل از آن، آب، نیتروژن (N2) و دی اکسید کربن (CO2) می باشد و اگر احتراق در شرایط ايده آل رخ ندهد مثلا برای احتراق هوای مناسب وجود نداشته و.... در اینصورت خروجیهای حاصل از احتراق، گازهای زیان آوری همچون مونو اکسید کربن (CO)، گروه گازهای (NOx) و هیدروکربنهای نسوخته (CH) می باشند. وظيفه مبدل کاتاليستی که در مسير گازهای خروجی از موتور قرار می گيرد اين است که گازهای فوق را به گازهای بی خطر تبدیل کند.
يکی از ويژگی های نانوذرات که در توليد مبدل های کاتاليستی استفاده شده چنين است: سطح تماس ذرات با کاهش اندازه آنها و افزايش تعدادشان (به طوری که جرم کلی مجموعه ثابت بماند) افزايش می يابد. يک دسته از واکنش های شيميايی روی سطح کاتاليست ها رخ می دهند و بنابراين سطح تماس بيشتر، کاتاليست فعال تری را موجب می شود. از اين رو به کارگيری نانوذرات در مبدل های کاتاليستی منجر به توليد مبدل های موثر تر خواهد شد
هوای پاک با فناوری نانو
افزایش مشکل دی اکسید کربن در هوا یکی از مشکلات اساسی در سطح جهان است. اميد مي رود كه با استفاده از كشف منابع جديد روزي برسد كه از مصرف سوخت هاي فسيلي بي نياز شويم و در هوايي عاري از دي اكسيد كربن و انواع آلودگي ها تنفس كنيم. فناوري نانو از جمله فناوريهايي است كه به كمك حل اين مسئله آمده است و اين امكان را به وجود آورده است تا به سوي ساخت انرژيي ارزان تر و پاكيزه تر از سوخت هاي فسيلي نزديك شويم.
محققان در دانشگاه ملي اوك ريج موفق به ساخت نانوكريستالي شده اند كه ما را در داشتن هوايي پاك تر كمك مي كنند. نانوكريستال درست مانند يك كاتاليزور عمل مي كند، هنگامي كه دي اكسيد كربن هوا بر روي اين نانوكريستال كه داراي كادميوم، سيلينيوم و ايديوم است مي نشيند، يك الكترون به دي اكسيد كربن مي دهد تا در مجاورت ساير اجزاي دود واكنش نشان دهد و بي ضرر شود. اگر فيلترهاي متشكل از اين نانوكريستال ها را بتوان با قيمت مناسب تري ساخت و آنها را در دودكش ها نصب كرد مي توان تا حد زيادي از انتشار و خروج دي اكسيد كربن در هوا جلوگيري كرد. ذره معلق مضرر ديگري كه دانشمندان اميدوارند تا با استفاده از نانوكريستال بتوانند آنرا خنثي و يا از بين ببرند، بخار جيوه است. تجهيزاتي كه با زغال سنگ كار مي كنند از مهمترين عوامل توليد بخار جيوه و انتشار آن در هوا هستند. يك روش جلوگيري از انتشار جيوه، استفاده از نانوكريستال هاي اكسيد تيتانيوم است كه بخار جيوه را مي توانند به اكسيد جيوه جامد تبديل نمايند. اگر تاكنون در ترافيك در مجاورت اگزوز و يا دود اتوبوس و يا يك كاميون قرار گرفته باشيد حتما اكسيد نيتروژن را استشمام كرده ايد. موتورهاي ديزلي (گازوئيل سوز) از جمله مهمترين منابع آلوده كننده هوا با اكسيدهاي نيتروژن مي باشند.
شركت «بيوفرندلي» با كمك آژانس حفاظت محيط زيست و دريافت كمك مالي از ايالت تگزاس، موفق به ساخت نانوكريستالي شده است كه با افزودن آن به گازوئيل مي تواند از توليد اكسيد نيتروژن جلوگيري كند و سبب شود تا سوخت كامل بسوزد. تصور نكنيد كه صنايع توليد تميز مانند صنايع توليد تراشه هاي كامپيوتري به عنوان آلوده كننده هاي محيط زيست به شمار نمي آيند بلكه برعكس اين صنايع به علت استفاده از مواد شيميايي آلي در فرايندهاي توليد منشا توليد بخارات آلي هستند كه خود مضرر مي باشند. محققان آزمايشگاه ملي شمال غربي اقيانوس آرام در حال بررسي نانوموادي هستند كه با استفاده از آن در فيلترها مي توانند از انتشار بخارات آلي اين دسته از كارخانجات جلوگيري كنند.
شايد در آينده نه چندان دور ديگر چيزي در خصوص ميزان آلودگي هاي هوا در اخبار روزانه نشنويم تا با خيالي آسوده بتوانيم در هوايي پاك تنفس كنيم.
فناوری نانو در کشاورزی و صنايع غذايی
کاربردهای نانو در حوزه علوم دامی
استفاده از نانوذرات نقره (نانوسیلورها) در افزایش بهداشت دام و جایگاههای پرورش دام و طیور نانوذرات نقره به عنوان ضدعفونی کننده قوی ( ضد یاکتری و ضد میکروب ) مطرح بوده و با توجه به پايداری آنها و عدم مصرف این ذرات (عدم نیاز به تهیه مجدد) استفاده از آنها در ضدعفونی کردن جایگاههای نگهداری دام و طیور کاربرد گسترده ای یافته است.
استفاده از نانوفیلترها به منظور فرآوری محصولات لبنی در فرآوری محصولات لبنی، استفاده از فیلترها بسیار مرسوم است. نانوفیلترها، امکان عبور انتخابی ذرات خاص را فراهم آورده و از این رو فرآوری مورد نظر را ممکن می سازند.
استفاده از نانوکپسولها بعنوان پوششی برای آنزیمهای خوراکی و داروهای دامی با توجه به کاربرد برخی آنزیمها و پروتئین های خاص در جیره های دام و طیور که بمنظور افزایش عملکرد و تاثیر در بافتی مشخص استفاده می شوند و معمولا در دستگاه گوارش بخوبی جذب نمی شوند، لذا استفاده از نانوکپسولها برای پوشش دار کردن و محافظت از آنها تا رسیدن به بافت هدف، موثر خواهد بود.
استفاده از نانوحسگرها در بخشهای مختلف سیستمهای پرورش دام و طیور و شناسایی انفرادی دامها
استفاده از نانوحسگرها و نانوبيوحسگرها در ماشينهاي شيردوشي
شتاب تحقيقاتي در اصلاح نژاد انواع دام ، طيور و آبزيان مؤثر
توليد خوراكهاي غيربيولوژيك و داروهای دامي
نانو واكسيناسيون DNA با استفاده از نانوكپسولها و روشهاي التراسوند
کاربردهای نانو در حوزه صنايع غذايي
استفاده از نانوفيلتراسيون در صنايع غذايي به منظور تشخيص متابوليت هاي كنترل كيفي و تشخيص عوامل بيماريزا و تحولي اساسي در بسته بندي مواد غذايي و انبارداري
بهسازی ثبات مواد غذایی این روش برای ترکیبات خاص فعال مثل طعم ها که با سایر ترکیبات مواد غذایی واکنش می دهند استفاده می شود و به این مواد عمر ماندگاری بالاتری می دهند
حفاظت در برابر اکسیداسیون مواد غذایی
تولید غذاهای مولکولی توسط رباط ها با سه عنصر اصلی اکسیژن، کربن و هیدروژن
کاربردهاي نانو در حوزه ماشين آلات کشاورزي
کاربرد در پوششهاي بدنه ادوات و ماشينها و ابزارهاي کشاورزي و حتي شيشه ها براي افزايش در برابر خوردگي و سائيدگي و انعکاس امواج ماوراء بنفش
توليد قطعات مكانيكي مستحكم تر با استفاده از نانوروكش ها و استفاده از بيوحسگرها در ماشين آلات هوشمند جهت مبارزه مكانيكي – شيميايي با علف هاي هرز
بهينه سازي ميزان و شکل سموم مصرفي و وسايل سم پاشي
تولید روکش های نانویی ياتاقانها براي کاهش اصطکاک
تولید قطعات مختلف موتورماشينهاي کشاورزي مقاوم به ساييدگي، خوردگي ، حرارت و کاهش اصطکاک
استفاده از آنها در توليد سوختهاي جايگزين و آلودگي کمتر محيط زيست
تا کنون محصولات مختلف نانویی در دنیا تولید شده و برخی از آنها به شکل تجاری در دسترس قرار گرفته است . از جمله کارهای صورت گرفته در نانوتكنولوژي سبز می توان به موارد زیر اشاره کرد: استفاده تايلند از اين فناوري به منظور توليد نوع جديدي از برنج (بي تفاوت نسبت به طول شب ، پاكوتاه و معطر ) و ابريشم ( ضد آب و با قدرت جذب كمتر گرد و غبار ) توليد نوعي نانوبرنج توسط شركت نانورايس ايتاليا كه 2 برابر وزن خود آب جذب مي كند . توليد نانو كودها و نانو سم ها در مقياس آزمايشگاهي
در ایران نیز موسسات مختلفی در این زمینه در حال کار می باشند . که از این بین می توان به پژوهشکده مهندسی جهاد اشاره نمود که با محوریت قرار دادن تولید نانوپودرها گام بلندی را در این زمنه برداشته است. مانند توليد پودر دی اکسيد تيتانيم در ابعاد نانو جهت گندزدايي و نگهداري مواد غذايي و استفاده به عنوان فوتوکاتاليست و تصفيه آب و یا توليد نانوپودر طلا در مقياس نانو جهت استفاده های بيولوژيک. از دیگر موسسات پیشگام در این زمینه می توان به مؤسسه تحقيقات واكسن و سرم سازي رازي، موسسه گياهپزشكي كشور، موسسه تحقيقات خاک و آب، موسسه تحقيقات شيلات ايران، موسسه تحقيقات جنگلها و مراتع و پژوهشکده بیوتکنولوژی اشاره نمود.کاربرد های فناوری نانو در علوم کشاورزی و صنایع وابسته به آن گسترشی روز افزون دارد ،که ادامه ی این روند در آینده ای نه چندان دور تولید و توزیع مواد غذایی سالم ، ارزان و با کیفیت را برای استفاده ی همه ی ملل دنیا محقق خواهد کرد.
|+| نوشته شده توسط
حمیدرضا عرب بافرانی در پنجشنبه شانزدهم اسفند 1386
|
شاید هنوز ساخت تراشههای کامپیوتری که برای ایجاد سرعت محاسباتی بالا به جای جریان الکتریسیته از نور استفاده میکنند، تشخیص انواع سرطان و سایر بیماریهای پیچیده فقط با گرفتن یک قطره خون، بهبود و اصلاح کارتهای هوشمند و نمایشگرهای LCD ؛ تنها یک رویا برایمان باشد و این مسائل را غیر واقعی جلوه دهد اما محققین آینده قادر خواهند بود تمام این رویاها را به حقیقت تبدیل کنند و دنیایی جدید از ارتباطات و تکنولوژی را بواسطه معجزه نانوسیمها به ارمغان آورند.
ساخت سیمهایی در ابعاد نانومتری هم از جهت تکنولوژیکی و هم از جهت علمی بسیار مورد علاقه میباشد، زیرا در ابعاد نانومتری خواص غیر معمولی از خود بروز میدهند. نسبت طول به قطر نانوسیمها بسیار بالا میباشد. ( L>>D ) 
به ادعاي دکتر لنز و همچنین مسئولان شركت Zelens، این اولين محصولي است كه در آن از تواناييهاي فولرين در صنايع آرايشي استفاده شده است.
