مرجع:همه چیز در مورد فناوری نانو

[EN-EZEL 13,039]

چه پودری را می‌توان نانوپودر به شمار آورد؟

پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار می‌آیند:

▪ حالت اول: ساختار ذرات تشكیل‌دهنده‌ی پودر، در حد نانومتر باشد.

یعنی اگر ساختار ذرات تشكیل‌دهنده‌ی یک پودر را به صورت یکی از اشكال منظم هندسی در نظر بگیریم، میانگین اندازه‌ی اضلاع آن بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد. مهمترین اشكال هندسی، كُره و مكعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشكیل‌دهنده‌ی پودر را كُره فرض كنیم، باید قطر كُره کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض شود، میانگین اضلاع مكعب باید در محدوده‌ی ۱ تا ۱۰۰ نانومتر قرار گیرد. به عبارت حسابی‌تر، میانگین اضلاع مکعب باید در این رابطه صدق کند: ۱ nm

▪ یادآوری: اگر بیشترِ ذرات تشکیل‌دهندهٔ پودر، ابعادی میان ۱ تا ۱۰۰ نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.

▪ حالت دوم: دانه‌های تشکیل‌دهندهٔ پودر، ابعاد نانومتری داشته باشند.

در حالتی که اندازه‌ی ذرات تشكیل‌دهنده‌ی پودر از صد نانومتر بیشتر باشد، کافی است دانه‌های آن ابعاد نانومتری داشته باشند تا نانوپودر به شمار آیند. یک مثال برای فهم این موضوع، اتم‌هایی هستند که به صورت منظم و درون سلول‌هایی که آنها را "دانه" می‌نامیم، کنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوری جامد نیز از سلول‌های ریزی تشكیل شده‌اند كه به آنها دانه می‌گویند. درون هر دانه، اتم‌ها در یك جهت خاص و ردیف‌های موازی چیده شده‌اند و تفاوت دو دانهٔ مجاورِ هم، تفاوت در همین جهت‌گیری اتم‌هاست.

در دانه‌ی ۱، اتم‌ها در ردیف‌های موازی و با زاویه‌ی ۴۵ درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. در دانه‌ی ۲ اتم‌ها با زاویه‌ی ۹۰ درجه و در دانه‌ی ۳ اتم‌ها با زاویه‌ی ۱۲۰ درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. وقتی این سه دانه در كنار یكدیگر قرار بگیرند، یك ذره تشكیل می‌شود. به فضای خالی بین دانه‌ها «مرز دانه» می‌گویند. مرز دانه محلی است كه جهت چیده شدن اتم‌ها عوض می‌شود.

همچنین دانه‌ها را می‌توان مانند آجرهای یك دیوار فرض كرد. در این صورت، مرز بین دانه‌ها ملات بین آجرهاست. اگر قطر این دانه‌ها بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد، ذرات حاصل تشكیل نانوپودر می‌دهند.

هر چه قطر دانه‌های یك ذره كمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌های تشكیل‌دهنده‌ی آن بیشتر خواهد بود (واضح است كه هر چه آجرهای تشكیل‌دهنده‌ی یك دیوار ۱ متر در ۱ متر كوچكتر باشند، تعداد آجرها بیشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بیشتر شود، مانند گره‌های یک فرش، تار و پود آن محكمتر و درهم‌تنیده‌تر است و بنابرین استحكام محصول بیشتر خواهد بود.

یادآوری: اگر درصد قابل توجهی از دانه‌های تشكیل‌دهنده‌ی ذرات، نانومتری باشند، پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.

حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولی ترکیب شوند.

در این حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزیتی» می‌نامند. کامپوزیت که از کلمه‌ی انگلیسی composition گرفته شده، به معنی ترکیب دو یا چند چیز است. ملموس‌ترین مثال برای كامپوزیت، كاه‌گل است. در كاه‌گل رشته‌های كاه در زمینه‌ی گِل پراكنده شده‌اند. در نانوپودرهای كامپوزیتی نیز ذرات نانومتری در زمینه‌ی ذرات بزرگتر (غیر نانومتری) پراكنده شده‌اند.

علت ترکیب شدن آنها اختلاف خواص این دو ماده است. در کامپوزیت معمولاً زمینه از یک ماده‌ی نرم و افزودنی از ماده‌ی سخت انتخاب می‌شود. در این صورت، هنگامی‌ که به ماده نیرو وارد می‌شود، زمینه نیرو را به رشته یا پودر اضافه‌شده منتقل می‌كند تا بتواند در برابر نیروی واردشده‌ مقاومت بیشتری داشته باشد.

[EN-EZEL 13,039]

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

: مواد سبک تر، قوی تر و قابل برنامه ریزی، کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعه های نقص فنی؛ ابزارهایی نوین بر پایه اصول و معماری جدید؛ بکارگیری کارخانه های مولکولی یا خوشه ای که مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند. این مواد می توانند، کاربرهای مختلفی را در صنایعی همچون: صنعت هواپیمایی، صنعت خودرو، لوازم خانگی و غیره ایجاد نماید.

ب) کاربرد در پزشکی و بدن انسان:

سیستم های زنده را رفتارهای مولکولی در مقیاس نانومتر اداره می کنند. مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیست شناسی و شبیه سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت در حال گرایش هستند.

اكنون نگرش هایی به سمت استفاده از ابزارها و سیستم های نانوساختاری، بوجود آمده است که فرآیند آزمایشگاهی کنونی توالی ژنی (genome sequencing) را به نحو شگرفی با استفاده از سطوح و ابزارهای نانو ساخته (nanofabricated) دگرگون کرده است. افزایش قدرت انسان برای ترسیم سرشت ژنتیکی یک فرد، روش های شناسایی و درمان را دگرگون می کند.

فراتر از سهل شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو (Drug Delivery) تهیه کند، که به نحو حیرت انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می دهد.

همچنین افزایش قابلیت های نانوتکنولوژیکی، به طور خاص مطالعات بنیادی زیست شناسی و پاتولوژی سلولی را تقویت خواهد کرد. در نتیجه پیشرفت ابزراهای تحلیل گر جدید که قادر به شناسایی جهان نانومتر باشند، این امر بسیار محتمل خواهد بود؛ که بتوان خواص شیمیایی و مکانیکی سلول ها (از جمله: فرآیندهایی هم چون تقسیم سلولی و غیره) را اندازه گیری و تغییر داد. این قابلیت ها تکمیل کننده ( و به شدت پشتیبانی کننده) تکنیک های مرسوم در علوم حیات هستند.

مواد زیست سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهد شد. نانو مواد سنتزی معدنی و آلی را مثل، اجزای فعال، می توان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی سازی به کار می رود) درون سلول ها وارد نمود.

افزایش توان محاسباتی بوسیله نانوفناوری، ترسیم وضعیت شبکه های ماکرومولکولی را در محیط های واقعی ممکن می سازد. این گونه شبیه سازی ها برای بهبود قطعات کاشته شده زیست سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهد بود.

شناسایی و ترمیم زخم ها و آسیب های بافتی همانند، ساختارهای طبیعی ( مانند گلبول های سفید و مولکول های ترمیم کننده زخم) در اندازه های نانو است. نیز با استفاده از این فناوری امکان تشخیص سریع بیماری های صعب العلاج و سرطانی امکان پذیر است. با استفاده از این فناوری جدید در دراز مدت می توان تومورهای مغزی را به درستی تشخیص داد و بدون آسیب زدن به بافت های سالم و با استفاده از پرتودرمانی این بیماری را بهبود بخشید ، که برای بیماران سرطانی بسیار مایه امید است.

نانو کپسول های تولیدی با استفاده از فناوری نانو، دارای موادی مانند: ویتامین A، رتینول و بیاکاروتن خواهند بود، که باید به لایه های عمقی پوست منتقل شوند تا بیشترین خواص ضد پیری و سایر خواص دارویی خود را بروز دهند.

با کارگذاری نانو ذرات فعال نوری در داخل گلبول های سفید خون، موفق به شناسایی سلول های آسیب دیده خواهیم شد.

ج) کاربردهای نانو در کشاورزی، آب، انرژی و میحط زیست

نانوفناوری ، منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهد داد. همچنین فناوری های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست ، علوم و مهندسی، نانو می تواند تأثیر قابل ملاحظه ای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می دهد، در ایجاد و درمان مسائل زیست محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده ها، در توسعه فناوری های «سبز» جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا د رجریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته باشند. لازم به ذکر است ، نانوفناوری توان حذف آلودگی های کوچک از منابع آبی ( کمتر از دویست نانومتر) و هوا (زیر بیست نانومتر) و اندازه گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق وسیع تر را دارد.

در زمینه انرژی، نانوفناوری می تواند به طور قابل ملاحظه ای کارآیی، ذخیره سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده، مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال، شرکت های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت شده یا نانوذرات را ساخته اند، که می تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل ها شود. استفاده گسترده از این نانو کامپوزیت ها می تواند سالیانه یك و نیم میلیارد لیتر صرفه جویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد.

نیز انتظار می رود تغییرات عمده ای در فناوری روشنایی در ده سال آینده رخ دهد. می توان نیمه هادی های مورد استفاده در دیودهای نورانی (LEDها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در آمریکا، حدود بیست درصد کل برق تولیدی، صرف روشنایی (چه لامپ های التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می شود. مطابق پیش بینی ها در ده تا پانزده سال آینده، پیشرفت هایی از این دست می تواند مصرف جهانی را بیش از ده درصد کاهش دهد که یك صد میلیارد دلار در سال صرفه جویی و دویست میلیون تن کاهش انتشار کربن به همراه خواهد داشت.

در زمینه آب، باید گفت جمعیت جهان د رحال افزایش و منابع آب آشامیدنی در حال کاهش است. سازمان ملل پیش بینی می کند که در سال دو هزار و بیست و پنج ، حدود چهل و هشت کشور (معادل سی و دو درصد جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی باشند. تخلیص و نمک زدایی آب از زمینه های مورد توجه در دفاع پیش گیرانه و امنیت زیست محیطی است. چرا که در سطح جهان ممکن است در آینده با مشکل کمبود آب مواجه شویم. استفاده از آب شرب با دو برابر سرعت افزایش جمعیت و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی نیز تشدید می شود، افزایش می یابد. دستگاه هایی به کمک نانوفناوری ساخته شده اند، که آب دریا را با انرژی ده برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس و لااقل صد برابر کمتر از تقطیر، نمک زدایی می کنند. این فرآیند کاراز نظر مصرف انرژی کاملاً عملی است، چون الکترودهای با مساحت سطحی بسیار بالا ساخته شده اند، که از طریق کنار هم قراردادن نانولوله های کربنی و دیگر ابتکارات طراحی، رسانای الکتریسته شده اند. همچنین نانوفناوری به طور مستقیم در پیشرفت کشاورزی سهیم خواهد بود. از جمله : مواد شیمیایی سازگار با زیست که برای تغذیه گیاه یا حفظ آن در برابر حشرات به شکل مولکولی طراحی شده اند، ارتقای ژنتیکی گیاهان و حیوانات، انتقال ژنها و داروها به حیوانات؛ انتقال ژن ها و دارو به حیوانات، امکان سازگاری گیاهان با خشکسالی و شوری و ...

د) کاربردهای نانوفناوری در هوافضا و امنیت ملی

محدودیت های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریت های طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب ناپذیر می سازد. مواد و ابزار آلات نانوساختاری ، امید حل این مشکل را بوجود آورده است.

«نانو ساختن» (Nanofabrication) همچنین در طراحی و ساخت مواد سبک وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، مورد نیاز برای هواپیماها ، راکت ها، ایستگاه های فضایی و سکوهای اکتشافی سیاره ای یا خورشیدی، تعیین کننده است. همچنین استفاده روزافزون از سیستم های کوچک شده تمام خودکار، منجر به پیشرفت های شگرفی در فناوری ساخت و تولید خواهد شد. این مسأله باتوجه به این که محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلاء بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستم های نانو که ساخت آن ها در زمین ممکن نیست ؛ در فضا خواهد شد.

برخی کاربردهای دفاعی نانوفناوری نیز عبارتند از : تسلط اطلاعاتی از طریق نانوالکتریک پیشرفته به عنوان یک قابلیت مهم نظامی، امکان آموزش مؤثرتر نیرو به کمک سیستم های واقعیت مجازی پیچیده تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری، استفاده از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی، دستیابی به کارایی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بیشتر) مورد نیاز در صحنه های نظامی و در عین حال تعداد دفعات نقص فنی کمتر، هزینه کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته ای، بهبود طراحی در سیستم های مورد استفاده در کنترل و مدیریت تکثیر نشدن هسته ای، و تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستم های دفاع هسته ای ، در بسیاری موارد، فرصت های اقتصادی و نظامی مکمل هم هستند. کاربردهای درازمدت نانوفناوری در زمینه های دیگر، پشتیبانی کننده امنیتملی است و بالعکس.

ذ ( کاربرد نانوفناوری در صنایع بهداشتی و آرایشی

استفاده از مواد غیرآلی به عنوان جاذب اشعه خورشید جهت کاربرد در ضد آفتاب ها، انقلاب بزرگی در صنایع بهداشتی و دارویی به وجود آورده است. استفاده از نانو ذرات اکسید روی برای کرم های ضد آفتاب و نیز به عنوان ضد التهاب و نانو ذرات اکسید تیتانیوم برای کاهش صدمات ناشی از آسیب روز افزون اشعه ماورای بنفش بر روی پوست، گسترش پیدا کرده است. استفاده از نانو ذرات اکسید تیتانیوم و سیلیکون بر روی صورت سبب می شود پوست صورت، ظاهری صاف و بدون چروک به خود بگیرد و نیز از این نانو ذرات به عنوان درمان خشکی پوست هم استفاده می شود. همچنین از نانو ذرات اکسید تیتانیوم در شامپوهای محافظ پوست، کرم صورت و پمادهای بهداشتی دیگراستفاده می شود. ساخت نانو ماشین هایی که قادرهستند، فرم موی افراد را به نحو دلخواه آنان تغیر دهند، چین و چروک پوست را صاف کرده و چربی اضافی را جمع آوری کنند.

جوراب های حاوی نانو ذرات نقره ، باعث مهار رشد باکتری و قارچ ها می شود و از بروز بوی بد پاها، مسائل مربوط به پای ورزشکاران ، عفونت ناخن پا و عفونت کف پا که بیشتر در افراد دیابتی بروز می کند، جلوگیری می کند.

و) کاربرد فناوری در صنعت الکترونیک

با استفاده از این فناوری می توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد هزار برابر یا بیشتر افزایش داد و در نهایت به ساخت ابزارهای ابر محاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شد.

اگر ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات، به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد، ذخیره سازی پنجاه عدد DVD بیشتر در یک هارددیسک با ابعاد یک کارت اعتباری میسر خواهد شد. ساخت تراشه ها در اندازه های فوق العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه های سی و دو تا نود نانومتر و تولید دیسک های نوری ۱۰۰ گیگا بایتی در اندازه بایتی در انازه های کوچک نیز از دیگر کاربردهاست.

ز) کاربرد نانوفناوری در صنعت خودرو

یکی از اصلی ترین موضوعات مطرح در نانو فناوری، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده بسیار بالا و کارایی بیشتری در تمام صنایع خواهند داشت؛ که صنعت خودرو نیز از آن مستثنی نیست. ساخت بدنه سبک تر و مقاوم تر برای خودرو، ساخت لاستیک هایی با مقاومت سایشی بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چند برابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتری هایی با انرژی بالا و دوام بیشتر، ساخت حس گرهای چند منظوره برای كنترل فرآیندهای مختلف در خودرو، ساخت کاتالیزورهای اگزوز خودرو جهت کاهش آلودگی هوا، لایه های خیلی محکم با خصوصیات ویژه ای مثل الکتروکرومیک (رنگ پذیری الکتریکی) یا خود پاک کنندگی برای استفاده در شیشه ها و آینه های خودرو و سازگار کردن خودرو با محیط زیست و بسیاری از موارد دیگر از جمله کاربردهایی هستند که نانوفناوری در صنعت خودرو خواهد داشت.

همچنین جایگزینی کربن سیاه تایرها با ذرات رس و پلیمرهای نانومتری، فناوری جدیدی است که تایرهای سازگار با محیط زیست و مقاوم در برابر ساییدگی را به ارمغان می آورد.

صنعت خودرو از طرفی در معرض فشارهای ناشی از قیمت سوخت و مسایل ایمنی است و از طرف دیگر به شدت تحت تأثیر سلایق و تنوع در خواسته های مشتریان برای مدل های جدید خودرو است که با رجوع به فناوری نانو می توان بر مشکلات فوق فایق آمد.

[alimec 23,102]

توليد دماسنج جديد براي اندازه‌گيري دماي درون سلول‌ها

[TABLE=class: text, align: center]

[TR]

[TD=align: justify]گروهي از محققان موسسه علوم فتونيکي (ICFO) روشي براي اندازه‌گيري دماي درون سلول‌ها بدون بر هم زدن متابوليسم آنها ابداع کرده‌اند. اين يافته مي‌تواند در تشخيص سلول‌هاي سالم از سرطاني مفيد بوده و يادگيري درباره فرايندهاي سلولي را تسهيل نمايد.

 

بسياري از فرايندهاي درون سلول همانند تقسيم سلولي و متابوليسم توسط دما کنترل مي‌شوند. حال گروهي از محققان اروپايي به رهبري محققان ICFO با استفاده از پروتئين‌هاي فلورسانس سبز (GFP) روشي غيرمخرب براي اندازه‌گيري دماي درون سلول ارائه کرده‌اند.

[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=align: center] [/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=align: center][/TD]

[/TR]

[TR]

[/TR]

[TR]

[TD=align: justify][/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=align: justify]روماين کوئيدانت يکي از محققان ICFO مي‌گويد: «ويژگي منحصر به‌فرد روش ما اين است که هيچ يک از فرايندهاي سلولي را تغيير نمي‌دهد». بر خلاف روش‌هاي ديگر در اين روش هيچ فشار يا تغييري در رفتار سلول ايجاد نمي‌شود، زيرا براي اندازه‌گيري دما نياز به وارد کردن هيچ مولکول يا شي‌ء نانومقياس خارجي به درون سلول نيست.

 

يکي از نتايج نويدبخش ارائه اين روش درک بهتر برخي از فرايندهاي سلولي همانند متاستاز است. سباستين تامسون يکي ديگر از محققان ICFO مي‌گويد: «علاوه بر اين، از اطلاعات به‌دست آمده درباره دماي درون سلول مي‌توان در تشخيص سريع و غيرمخرب سلول‌هاي سالم از سرطاني بهره برد».

 

اطلاعات حاصل از دما

 

از دماي درون سلول‌ها مي‌توان چگونگي استفاده انرژي توسط بدن براي انتشار کنترل‌نشده سلول‌هاي سرطاني را دريافت. در اين مطالعه بين‌رشته‌اي، از اندازه‌گيري‌هاي فيزيکي انتقال انرژي براي مطالعه فرايندهايي همچون بيان ژن، متابوليسم و تقسيم سلولي استفاده مي‌شود.

 

اين روش به‌نام آنيزوتروپي قطبش فلورسانس يا FPA ناميده مي‌شود، چرا که در آن امکان اندازه‌گيري اختلاف قطبش ميان نور فلورسانس دريافت شده توسط مولکول‌ها و نور فلورسانس نشري توسط آنها وجود دارد. کوئيدانت توضيح مي‌دهد: «اين اختلاف قطبش (آنيزوتروپي) به‌طور مستقيم به چرخش مولکول‌هاي GFP و در نتيجه به دما مرتبط است».

 

در زمينه زيست‌شناسي مولکولي روش‌هاي مختلفي براي اندازه‌گيري دماي درون سلول پيشنهاد شده است. امکان بررسي فعاليت‌هاي درون سلول مي‌تواند پايه‌اي براي توسعه حوزه زيست‌شناسي دمايي در سطح سلولي باشد که تاکنون مطالعه زيادي روي آن صورت نگرفته است.

 

بنابر گفته اين محققان، گام بعدي آنها بهبود حساسيت و تفکيک‌پذيري اين روش جديد است. اين پژوهشگران براي رسيدن به اين هدف بايد ويژگي‌هاي پروتئين‌هاي فلورسانس را به‌دقت تنظيم کرده و روش شناسايي دماسنج خود را بهينه‌سازي کنند.

 

جزئيات اين تحقيق در مجله Nano Letters منتشر شده است.

منبع:

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[/TD]

[/TR]

[/TABLE]