جستجو در تالارهای گفتگو

برخی کاربردهای صنعتی نانوبیوتکنولوژی امروزه با استفاده از زمینه‌های علمی بین‌رشته‌ای، انقلاب صنعتی دیگری در جریان است. این تحول در بهره‌برداری یکپارچه از قوانین فیزیک، خواص شیمیایی و مشخصات بیولوژیکی نهفته است. در مطلب زیر، به معرفی برخی کاربردهای صنعتی نانوبیوتکنولوژی می‌پردازیم: 1- ساخت حسگرهای شیمیایی بر اساس نانوبیوسیستم‌ها توسعه فناوری حسگرهای شیمیایی یکی از تحقیقات جدی در زمینه نانوبیوسیستم‌ها است. حسگرهای شیمیایی با الهام از حساس‌ترین حسگرهای شیمیایی در بدن جانداران، یعنی بینی و سایر اعضای حسی طراحی شده‌اند. طرز کار این حسگرها به این شکل است که ملکول مورد نظر (که باید وجود آن حس شود) به یک دریافت‌کنندة زیستی در عضو می‌چسبد و باعث باز و بسته‌شدن یک کانال یونی که در پوستة سلول عایق قرار دارد، می‌شود. بیشترین کاربرد حسگرها، در تولید حسگرهای بخار یا گاز و به‌طور اخص ساخت بینی الکترونیکی بوده‌است. این عمل با استفاده از آرایه‌هایی از حسگرهای غیرتخصصی ( non-Specific ) و به‌کارگیری نرم‌افزار تشخیص الگو انجام می‌شود. به کمک این نرم‌افزار، معین‌کردن بوها، گازها و بخارهای مختلف، دقیقاً مانند آنچه که در بینی حیوانات اتفاق می‌افتد، صورت می‌پذیرد. توسعة حسگرهایی که بتوانند اجزای مخلوط گازها یا مایعات را در محیط صنعتی تشخیص دهند، از دیگر کاربردهای این حسگرها است. حسگرهای چند‌منظوره‌ای که از پلیمرها، آنزیم‌ها یا سایر ترکیبات استفاده می‌کنند، مثال‌هایی از این مورد هستند. 2- پیل‌های سوختی زیستی پیل‌های سوختی زیستی نوع جدیدی از پیل‌های سوختی هستند که توانایی تبدیل مستقیم انرژی بیوشیمیایی را به انرژی الکتریکی دارند. نیروی محرک در این پیل‌ها، واکنش‌های اکسیداسیون و احیای یک مادة اولیه از نوع کربوهیدرات مانند گلوکز مخلوط با اتانول است که همراه با استفاده از میکروارگانیزم یا آنزیم به‌عنوان کاتالیزور زیستی ایجاد می‌شود. اصول کار این پیل‌ها مانند پیل‌های سوختی شیمیایی است. اختلاف اصلی بین آنها، در نوع کاتالیزور و شرایط کار است. کاتالیزور به‌کار رفته در پیل‌های سوختی زیستی، یک میکروارگانیزم و یا یک آنزیم است که جایگزین فلز در پیل‌های سوختی شیمیایی می‌شود. به‌طور کلی دو نوع پیل سوختی زیستی وجود دارد: 1- مستقیم: در نوع مستقیم، پیل شامل الکترودهایی است که در تماس مستقیم با عوامل بیوشیمیایی هستند و در واکنش‌های اکسیداسیون و احیا مشارکت می‌کنند. توان واقعی خروجی از این پیل‌ها بین یک‌دهم تا یک‌صدم پیل‌های غیرمستقیم است. کار این نوع پیل‌ها به فرآیندهایی شامل واکنش‌های بین بیوکاتالیست و الکترود، محدود است. 2- غیرمستقیم: در این نوع پیل‌ها، از میکروب‌ها و یا آنزیم‌ها برای تبدیل سوخت بیولوژیکی به ترکیبات با وزن مولکولی بالا و یا وزن‌ مولکولی پایین (گاز یا مایع) استفاده می‌شود. این مواد بیولوژیکی، در یک فرآیند معمول الکتروشیمیایی شرکت می‌کنند. محصولات به‌دست آمده از یک راکتور میکروبیولوژیکی ممکن است هیدروژن، آمونیاک و یا اکسیژن باشد. خصوصیات مطلوب این پیل‌ها که استفاده از ضایعاتی مانند دی‌اکسید‌کربن و فاضلاب انسانی را ممکن می‌سازند، به استفاده از این پیل‌ها در برنامه‌های فضایی، تولید الکتریسیته و تولید اکسیژن و غذا از طریق حذف مواد زاید منتهی می‌شود. همچنین، احتیاجات خاص نظامی ممکن است ازطریق این پیل‌ها تأمین‌گردد. به‌عنوان مثال، ساخت " پیل بدون صدای قابل شارژ " که در دمای محیط کار می‌کند، از این طریق امکان دارد. این پیل در موتور‌های دیزل و یا در مخلوط سوخت ضد‌یخ متانول- آب، قابل استفاده است. در آینده، پیل‌های سوختی زیستی جدید با اندازة کوچک و سبک، حاوی آنزیم‌های تثبیت‌شده به‌عنوان کاتالیست و متانول به‌عنوان مادة اولیه، در دسترس خواهند بود. 3- استفاده از نانوتکنولوژی برای تصفیة آب (نانو*****اسیون) نانو*****اسیون یکی از کاربردهای مهم نانوتکنولوژی است. فناوری نانو*****اسیون امکان جداسازی ذرات را از آب در مقیاس نانو فراهم می‌کند. به‌ این ‌ترتیب، امکان تولید آب تصفیه‌شده در مقیاس انبوه فراهم می‌شود. با استفاده از نانو*****ها، مواد معدنی لازم برای سلامتی انسان، در آب باقی می‌ماند و مواد سمی و مضر از آن حذف می‌شود. با توجه به این که پنجاه درصد آب‌های زیرزمینی و هفتادوهشت درصد آب رودخانه‌ها در مناطق شهری، غیرقابل شرب است، کاربرد این فناوری برای تصفیة آب، طرفداران زیادی دارد. تحقیقات در چین نشان داده است که با مصرف آب حاصل از نانو*****ها در مدت طولانی، شیوع بیماری‌های " قلبی و عروقی " و " سرطان " به‌ترتیب به ‌میزان چهل و بیست درصد کاهش یافته‌است. 4- نانوبیوراکتورها ماسیل‌های معکوس را می‌توان به‌عنوان نانوبیوراکتورها، هم برای تولید کریستا‌ل‌های نانویی باکیفیت و هم برای اصلاح ملکول‌های پروتئین منفرد به‌کار‌ برد. در مورد آخر، نانوراکتورها به برطرف‌کردن مشکلات اساسی و بنیادین پروتئین‌ها، یعنی حضور آنها در سیستم‌های آبی، کمک می‌کنند. به‌عنوان مثال، می‌توان به ‌کمک ماسیل‌های معکوس، RNase A تغییرساختار ‌یافته را جمع‌آوری کرد. 5- تصفیه پساب‌های صنعتی با استفاده از نانوتكنولوژی، می‌توان مواد سمی پساب‌های آلوده را كاهش داد. یك تیم از دانشمندان و صنعتگران كشورهای آلمان، ایرلند و انگلستان، فرآیندی را توسعه داده‌اند كه فلزات سنگین پساب‌های صنعتی را با استفاده از نانوذرات جدا می‌نماید. دراین فرآیند، از یك محیط مغناطیسی ساده نیز كمك گرفته می‌شود. محققان مؤسسه مواد جدید ( INM )، به‌منظور تولید ذرات كامپوزیت فوق‌مغناطیسی ( SPMC )، نانوذرات اكسید آهن را در یك محیط شیشه‌ای قرار دادند. با استفاده از خاصیت مغناطیسی این ذرات میكرونی و نانومتری، به‌راحتی می‌توان فلزات سنگین را جذب نمود. این ذرات كه دارای خاصیت فوق‌مغناطیسی هستند، به درون آب فرستاده می‌شوند و فلزات سنگینی را كه در آنجا وجود دارند، جذب می‌كنند. سپس این آب از میان یك میدان مغناطیسی عبور داده می‌شود و ذرات فوق‌مغناطیس حاوی فلزات سنگین، از جریان خارج می‌شوند. یكی از مزایای این روش آن است كه بر خلاف روش‌های قبلی، مانند فرآیندهای ته‌نشینی یا شیمیایی، در پایان عمل تصفیه، می‌توان به خلوص بالایی رسید. این موضوع به‌خصوص زمانی مهم است كه فلزات موردنظر خیلی سمی باشند، مانند جیوه یا سرب. البته این‌گونه روش‌های جداسازی، خیلی سخت و پرهزینه هستند. هر چند این روش‌ها در آزمایشگاه به نتیجه رسیده است، اما برای صنعتی کردن آنها، سه سال زمان نیاز است. مشکل این روش در درست ‌مخلوط‌نمودن ذرات كامپوزیت، به‌منظور جداسازی یك فلز خاص است. در حال حاضر، این روش برای تمام صنایع مفید نیست؛ اما می‌تواند راه حل بسیار خوبی برای حدود نیمی از صنایعی باشد كه فلزات سنگین تولید می‌كنند. شركت‌های آلمانی، سالانه حدود 15هزار تن از این نوع فلزات را تولید می‌كنند. این رقم در آمریكا بالاتر است. منبع: شبكه تحلیلگران تكنولوژی ایران

جهان امروز نیازمند استفاده از ابزارهای جدیدی برای ارتقای سطح زندگی بشر است. روزانه مواد گوناگونی بر اثر کار و کوشش و تحقیقات به دست آمده، در چرخه تولید انبوه قرار گرفته و به بازار تجاری عرضه می شوند. برای مثال افزایش کارایی وسایل الکترونیکی با کاهش اندازه آنها، مانند کامپیوترهای بسیار پیشرفته و یا پیشرفت عظیم صنعت ارتباطات تنها با استفاده وسیع از نانو تکنولوژی میسر شده است. در این مقاله به بررسی کاربرد کنونی فناوری نانو تکنولوژی در میان مدت و بلند مدت پرداخته ایم که مواردی از آن به طور خلاصه نقل می شود. صفحات خورشیدی و کیهانی: دی اکسید تیتانیم و اکسید روی در اندازه های نانو در صفحات خورشیدی برای جذب و یا انکسار پرتوهای ماورای بنفش که شفافیت لازم را برای عبور نور قابل رویت دارند، کاربرد بسیاری پیدا کرده است. ترکیبات مرکب: یکی از موارد مهم کاربرد نانوتکنولوژی ساخت ترکیبات مرکب از چند ماده مختلف است. برای مثال با استفاده از لوله، سیم و ذرات نانو محصولات چند منظوره ای تولید می شود که هم دارای خواص هر یک از عناصر تشکیل دهنده است و هم ساختار جدیدی با کاربردهای پیشرفته دارد. این مواد در علوم پزشکی، در وسایل بصری، الکترونیک و مغناطیسی به کار می روند. هم چنین کربن سیاه که اندازه آن به چند ده نانو می رسد برای تقویت لاستیک وسایط نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد. از یک نوع خاک رس در ابعاد نانو نیز برای ساختن سپرهای مقاوم وسایط نقلیه استفاده می شود. ▪پوشش سطوح: استفاده از پوشش هایی در اندازه نانو و یا چند اتم، امکانات ویژه ای را به وجود آورده است. به تازگی شیشه هایی ساخته شده که با دی اکسید تیتانیم بسیار فعال پوشش داده شده است. این شیشه ها ضد باکتری، دفع کننده آب و از بین برنده مواد شیمیایی بوده و به طور خودکار خود را تمیز می کنند. کاربرد دیگر مواد نانو ساختن پوشش های بسیار مقاوم در مقابل خش، به صورت یک یا چند لایه بر روی لایه اصلی است. گروه بیشماری پارچه های قابل تنفس، ضد آب و لکه با کنترل منافذ و ناهمواری های سطح آن در حد اندازه های نانو از مواد پلیمری و غیرآلی ساخته شده ا ند. ▪ابزار برشکاری بسیار سخت: ابزار ساخته شده از کریستال های تنگستن، تانتانیم و تیتانیم در اندازه های نانو، منجر به ساخت ابزار برش بسیار سخت تر در مقایسه با همان ماده در اندازه ذرات بزرگتر شده است. کاربرد این ابزار در سوراخکاری، برش فلزات در ماشین تراش، قالب سازی، سنگ بری و نظایر آن بسیار وسیع است. ●کاربردهای فناوری نانو در میان مدت شامل موارد زیر می شود: ▪رنگها و محلولها: استفاده از رنگها در اندازه نانو می تواند قابلیت هاو توانایی های بسیار خوبی را به رنگ بدهد. برای مثال ساختن رنگهای سبک می تواند وزن هواپیماها را کاهش داده و باعث صرفه جویی در سوخت آنها شود. کاهش حلال ها مورد دیگریست که از آلودگی محیط زیست جلوگیری می کند. محلول های ضد باکتری موارد استفاده بسیاری در تاسیسات تصفیه آب دارد و دیگر نیازی به استفاده از ضد باکتری مانند کلر نخواهد بود. نانو تکنولوژی در مبدل های حرارتی با جذب امواج قرمز باعث صرفه جویی در انرژی شده و با تغییرات دما و یا محیط شیمیایی اطراف آن، موجب تغییر رنگ می شود. عمده ترین هدف از اجرای این پژوهشها در مورد رنگها اهداف زیست محیطی است. ▪محیط زیست: مطالعه و بررسی بر روی تاثیرگذاری مواد نانو بر مواد آلوده کننده خاک و آبهای زیرزمینی و خنثی کردن تاثیرات مخرب آنها، نمونه ای از پژوهشهای میان مدت است. هم چنین تلاش برای ساخت موادی که سرب و جیوه موجود در محیط زیست را به صورت غیرفعال در آورد، ادامه دارد. اگر این تحقیقات به صورت کامل انجام شود، می توان از آلودگی سرب هوا که از سوخت ماشین های درون سوز بوجود می آید جلوگیری کرد. ▪سلولهای سوختی: سطح سلولی سوختها از نظر مهندسی تاثیر مستقیمی بر عملکرد درونی آن دارد. استفاده از هیدروژن به عنوان یک سوخت میانی ممکن است با تغییرات بنیادی هیدروکربورها در کاتالیستهای یک راکتور به دست آید. استفاده از علوم نانو برای شدت بخشیدن به عملکرد کاتالیزورها می تواند به بازدهی بیشتر و تولید سوختهایی با ذرات کوچکتر کمک کند. این عامل می تواند در افزایش تولید انرژی برق موثر باشد و در نتیجه برای تولید هیدروژن به جای استفاده از هیدروکربورها از مواد فراوانتر و سازگارتر با محیط زیست استفاده کرد. امروزه هیدروژن به عنوان جانشین سوخت هیدروکربورها در جهان بسیار مورد توجه قرار گرفته است. ▪نمایشگرها: درخواست بسیاری برای تولید نمایشگرهای بزرگ، شفاف و تخت در تلویزیون، کامپیوتر و نظایر آن وجود دارد. نانو کریستال های سلنیوم روی، سولفات روی و سولفور کادمیم با روش ژل به صورت تنها(تبدیل ژل مایع به جامد) از موادیست که برای ساخت نور متصاعد از فسفر مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین استفاده از CNTs نیز در ساخت این وسایل با درخشش فوق العاده و مصرف انرژی و تشعشعات زیانبار کمتر و طول عمر بیشتر، نسل آینده نمایشگرهای پیشرفته را بوجود خواهد آورد.باطری ها: توسعه وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن های همراه، دستگاههای ناوبری، کامپیوترهای کوچک و قابل حمل، سنسورهای کنترل از راه دور و نظایر آنها، نیاز به داشتن باطری های سبکتر با انرژی و دوام بیشتر را دو چندان ساخته است. مواد کریستالی نانو با استفاده از روش کاربرد ژلها در صفحات جداکننده باطریها می تواند انرژی بیشتری در مقایسه با باطریهای متداول امروزی ذخیره کند. باطری های ساخته شده از نانو کریستال های نیکل نیاز به شارژ مجدد را کاهش و ذخیره انرژی در باطریها را در حد قابل توجهی افزایش داده است. مواد افزودنی سوختها: هم اکنون تحقیقات برای افزودن ذرات نانوی اکسید سدیم به سوختهای دیزل در دست اقدام است که باعث بالا رفتن بازدهی، صرفه جویی اقتصادی و کاهش میزان مصرف آنها در بلند مدت خواهد شد. ● کاربردهای بلند مدت فناوری نانو شامل موارد زیر می باشد: ▪ مواد مغناطیسی: ساخت ابزارهای مغناطیسی از نانوکریستال های یوتریوم، ساماریوم و کوبالت خواص بسیار منحصر بفردی را با توجه به کوچک بودن ذرات کریستالها بوجود می آورد. این مواد در ساخت موتورها، ماشین های تحلیلی مانند MRI و همچنین در علوم پزشکی کاربرد وسیعی دارند. میکروپروسس ها، حافظه های کامپیوتر، دیسک های سخت، با استفاده از فناوری نانو می تواند اطلاعات بسیار زیادی را در خود جای دهند. ▪وسایل پزشکی: به طور معمول اعضا قابل کاشت در بدن، مانند دریچه های قلب، ساخت اندام های مورد نیاز در ترمیم های ارتوپدی ساخته شده از تیتانیوم و فولادهای ضد زنگ با سایر اعضای بدن سازگاری دارند ولی متاسفانه ممکن است در طول عمر بیماران دچار خوردگی شده و کارآیی خود را از دست بدهند.استفاده از نانو کریستالهای اکسید زیر کانیوم، به عنوان یک عنصر بسیار سخت، غیرخورنده و مقاوم در مقابل واکنشهای بدن و سازگاری با آن جایگزین بسیار خوبی برای روش های متداول است. نانو کریستالهای »سیلیکون کربید« به علت وزن کم، مقاومت بسیار عالی و سازگاری با اعضای بدن برای ساخت دریچه های مصنوعی قلب در آینده بکار خواهد رفت. ساخت رباط هایی با کاربردهای بسیار متفاوت در بدن در اندازه های کوچک بخش مهمی از کاربردهای وسیع اینگونه مواد را شامل می شود. سرامیک های ماشین آلات: سرامیک ها بسیار سخت، شکننده و غیرقابل ماشینکاری بوده و کوچک شدن ذرات آنها در حد نانو کریستالها باعث شکنندگی بیشتر آن می شوند. امروزه نانوکریستالهای نیترات و یا »کربید سیلیکون« در ساخت قطعات ماشین آلات مختلف مانند فنرهای بسیار مقاوم، بلبرینگها، سوپاپ های موتور، اجزای کوره ها و نظایر آن به علت آنکه به آسانی قابل ساخت بوده و مقاوم در مقابل حرارت و واکنش های شیمیایی مقاوم هستند کاربرد وسیعی دارند. در صورتیکه این مواد توسط پرس فشرده شوند، مقاومت حرارتی بسیار زیادی را در مقایسه با سایر سرامیک ها به دست می آورند. ▪تصفیه آب: فناوری نانو باعث صرفه جویی در مصرف انرژی برای تصفیه آب در سیستمهای تقطیر می شود. همچنین این فناوری منجر به بالا بردن تکنولوژی مورد استفاده کنونی خواهد شد. لباس های جنگی: به تازگی استفاده از فناوری نانو برای ساخت لباس های ویژه میدان های جنگ توسط گروه تحقیقات دانشگاه MIT انجام شده است. هم اکنون برنامه ای برای ساخت موادی که بتواند در کوتاه مدت جاذب انرژی شوکهای امواج انفجاری و موادی که در بلند مدت بتواند در برابر مواد شیمیایی و بیولوژیکی از خود مقاومت نشان دهند بصورتی که در مقابل این مواد حساس بوده و پس از شناسایی مواد روزنه های لباس مسدود شوند در حال بررسی است. گونه ای دیگر از این مواد برای کشف آسیب های وارده به بدن به صورت خودکار عمل خواهد کرد.برای مثال به کمک این مواد شکستگی استخوانها را بسرعت شناخته و گچ گیری متداول امروزه را انجام می دهند. پژوهش و ترجمه: مهندس سعید صالحی ماهنامه نفت پارس