فناوری نانو

كاربرد نانو تكنولوژي در كامپيوتر و الكترونيك؛ انقلابي در فناوري نانو هدف از نگارش این نوشتار، مرور یکی از روش های بکارگیری فناوری نانو است. برای مثال این فناوری نسبتاً نو، در کامپیوتر و قطعات الکترونیکی کاربرد زیادی دارد خصوصاً ساخت رباتها و ابرکامپیوترها ...

[ نانوتكنولوژي ]

هدف از نگارش اين نوشتار، مرور يكي از روش هاي بكارگيري فناوري نانو است. براي مثال اين فناوري نسبتاً نو، در كامپيوتر و قطعات الكترونيكي كاربرد بسياري دارد. از مثالي كه ريچارد فايمن در سخنراني خود استفاده كرد، شروع مي كنيم. در واقع با اين مثال ميخواهيم ابعاد و اندازه هاي نانويي را با اندازه هاي خيلي كوچكي كه تكنولوژي آنها هم اكنون در دسترس است، مقايسه بكنيم. او كه جايزۀ نوبل فيزيك را دريافت كرده بود، در كنفرانس سال 1960 تحت عنوان «فضاي زيادي وجود دارد» به بحث در مورد توانايي ها و امكان ساخت مواد نانو مقياس پرداخت. او به گونه اي خيال پردازانه، خطوطي حكاكي شده با به كارگيري باريكۀ الكتروني و با عرضي به اندازۀ چند اتم را فرض كرد كه در واقع وجود ليتوگرافي توسط باريكۀ الكتروني را پيش بيني مي كرد. در واقع فاينمن با اين سوال شروع كرد: "چرا نمي توانيم بيست و نه پوشينۀ دايره المعارف بريتانيكا را به سر يك سوزن بنويسيم؟" و ادامه داد "قطر ته سوزن 1/16 اينچ است. اگر آن را بيست و پنج هزار بار بزرگ كنيم سطح آن با كل سطح صفحات دايره المعارف برابر مي شود. پس كافي است همه نوشته ها را بيست و پنج هزار بار كوچك كنيم." اگر چه انديشه هاي فاينمن بازتاب چنداني توسط دانشمندان آن زمان نداشت؛ هم اكنون بسياري از فرضيات او به واقعيت پيوسته اند.
ريچارد فاينمن به پاس كمك هاي شايانش به الكتروديناميك كوانتومي (موضوعي بسيار دور از فناوري نانو) جايزۀ نوبل فيزيك را دريافت كرده بود. همگام با او، رويا پردازان ديگري نيز مشغول به فعاليت بودند. راف لندور فيزيكداني نظري بود كه در سال 1957 براي IBM كار مي كرد. وي ايده هايي در پيرامون نانو الكترونيك داشت و به ارزش اثرات مكانيك كوانتومي در اين زمينه پي برده بود.

1. الكترونيك و فناوري اطلاعات

انقلاب اطلاعات، جهان پيرامون ما را به شيوۀ گسترده اي تحت تاثير قرار داده است و هوده هاي آن از اثرات انقلاب صنعتي نيز پيشي گرفته است. كليد توسعه و پيشرفت در فناوري اطلاعات، دستيابي به رايانه هايي با توان بيشتر، حجم كوچك تر و قيمت ارزان تر است. در ادامه به كاربردهاي بيشتري از اين فناوري در الكترونيك و كامپيوتر مي پردازيم.

2.1 ذخيره سازي و حافظه ها

با استفاده از اين فناوري مي توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد هزار برابر يا بيشتر افزايش داد. ذخيره سازي اطلاعات مبحثي بسيار مهم و ضروري است كه مي تواند به روش هاي مختلفي انجام شود. هم اكنون ظرفيت ديسك هاي مغناطيسي رايانه ها با استفاده از قانون مور افزايش يافته است و بازاري در حدود چهل ميليارد دلار را در اختيار دارد.

2.1 ساخت ماشين هاي شبيه سازنده

نانو كامپيوتر و نانو اسمبلر، دو مفهوم جديدي هستند كه در "علم نانو" مطرح مي شوند. ساخت نانو اسمبلر در واقع يك هدف نهايي و مهم در نانو تكنولوژي است. نانو اسمبلر در واقع امكان تهيۀ ماشين يا مكانيك ساختاري شبيه خودش را به وجود مي آورد. زماني كه يك نانو اسمبلر كامل در دسترس باشد تقريباً همه چيز ممكن مي شود و اين مهمترين و بزرگترين خواسته دانشمندان نانو تكنولوژي است. كدام ساده تر است؛ تهيه كپي از ماشين، يا تهيۀ ماشيني كه خودش را كپي كند؟ در مقياس ماكرو مولكولي ساختن يك كپي خيلي ساده تر از ساختن ماشيني است كه بتواند خودش را كپي كند اما در تراز مولكولي اين مساله واژگونه است؛ يعني ساختن ماشيني كه بتواند خود را كپي كند كار را براي ما بارها ساده تر از ساختن ماشين ديگر مي كند و اين مهم ترين كاربرد نانو اسمبلر مي باشد. به اين ترتيب ساختن اتوماتيك محصولات بدون نيروي كار سنتي، همانند عمل كپي در ماشين هاي زيراكس، آسان مي شود.

3.1 نيمه هادي ها؛ اساس صنعت الكترونيك كنوني

مطابق قانون مور، نعداد ترانزيستور ها در يك مدار الكترونيكي، در هر 12 تا 24 ماه دو برابر مي شود. به اين معني كه مدارها با گذر زمان فشرده و پيچيده تر خواهند شد. اگر چه اين قانون در دهه هاي گذشته راست بود، اما فناوري ليتوگرافي با محدوديت براي كوچك تر كردن عناصر است؛ به طوري كه پيش بيني مي شود صنعت نيمه هادي در 10 سال آينده به مرز كوچك سازي برسد. به اين ترتيب نياز است كه فناوري جديدي وارد عمل شود تا كوچك سازي مدارها را انجام دهد. از دهۀ 1920 دانشمندان دريافتند كه ويژگي هاي مواد مانند استحكام و قابليت هدايت الكتريكي با ساختار اتمي و مولكولي آنها تعيين مي شود. بعد ها دانش فوق منجر به ساخت مواد نيمه هادي شد كه پايۀ صنعت الكترونيك كنوني است. در صنعت كامپيوتر، قابليت نانو ماشين ها براي كوچك كردن ترانزيستورها رو تراشه هاي سيليكوني مي تواند انقلابي در اين زمينه بوجود آورد. به اين ترتيب نياز است كه فناوري نو و تازه اي بكارگرفته شود تا كوچك سازي مدارها را انجام دهد.

4.3.1 ابر خازن هاي الكتروشيميايي

ابر خازنها داراي ظرفيت بالايي مي باشند و به صورت بالقوه قابل استفاده در قطعه هاي الكترونيكي هستند. اين ابر خازن ها داراي دو الكترود هستند كه به وسيلۀ يك مادۀ عايق كه در قطعه هاي الكترو شيميايي داراي رسانايي يوني مي باشد، از هم جدا مي شوند. ظرفيت يك ابر خازن شيميايي نسبت واژگونه با بار روي الكترود، و شمارگر بار در الكتروليت دارد. از ابر خازن هاي نانو لوله، براي ذخيرۀ انرژي استفاده مي شود. به طور كلي گفته مي شود كه توجه بيشتر در اين مورد، با ذخيرۀ بار فرق مي كند.

2. الكترونيك مولكولي

2.1 نانو تيوب هاي كربني در نانو الكترونيك

نانو تيوب هاي كربني داراي كاربردهاي بسيار در زمينۀ نانو الكترونيك و همچنين نانو كامپيوترها دارند. از كاربردهاي بي شمار نانو لوله ها مي توان به كارگيري به عنوان عايق، رسانا و نيمه رسانا و يا نيمه هادي استفاده كرد.

2.1.2 خواص رسانايي الكتريكي در نانو تيوب ها

نانو لوله ها بسته به بردار كايرالشان رسانندگي متفاوتي از خود نشان مي دهند. البته رسانايي آنها به قطر نانو لوله ها نيز بستگي دارد؛ به اين صورت كه نانو لوله هايي با قطر كوچك، رسانا يا نيمه رسانا هستند. نانو لوله هاي تك ديواره با بردارهاي كايرال متفاوت، ويژگي هاي متفاوت با يكديگر دارند. از جمله فعاليت اُپتيكي، استحكام مكانيكي و هدايت الكتريكي آن ها با هم فرق دارد. از انواع نانو لوله ها از نگر رسانايي، نانو تيوب هاي زيگزاگ، آرميچر و نا متقارن هستند. همه ي ساختارهاي ممكن نانو لوله تك ديواره با بردارهاي كايرال با انتقال يافتن دو محدوده اي كه در شكل نشان داده شده است مي تواند شكل گيرد، كه n و m صحيح اند و در نانو لوله هاي زيگزاگ، θ<30 يا m≤n مي باشد. جهت محور نانو لوله عمود بر بردار كايرال است. Ch در نانو لوله هاي كربني از na1+ma2 به دست مي آيد كه a1 و a2 بردارهاي شبكه و كوچكترين قطرهاي شش ضلعي نانو لوله ها هستند و m و n اعدادي صحيح اند. بردار كايرال با بردار Ch = na1+ma2 و زاويۀ كايرال با محور زيگزاگ تعريف مي شود.

2.4.1 انواع نانو لوله ها از نگر رسانايي

اگر زاويۀ 0=θ يا n,0 ، نانو لوله از نوع زيگزاگ خواهد بود. در صورتي كه (n-m)/3 شماري صحيح باشد نانو لوله از نوع فلزي است. در غير اين صورت از نوع نيمه هادي است.
در صورتي كه 30=θ يا n≤m باشد، نانو لوله از نوع آرميچر خواهد بود. نانو لوله هاي آرميچر همه از نوع فلزي هستند.
در غير از اين دو حالت فوق، نانو لوله از نوع متقارن يا كايرال است كه داراي خواص رسانايي بسيار كمي مي باشد. n≠m , n≠0

2.2 الكترونيك مولكولي با نانو لوله ها

مثال هايي از كاربرد بالقوۀ نانو لوله ها به عنوان قطعه هاي گسيلندۀ ميداني را مي توان نمايش دهنده هاي صفحات تخت، لوله هاي تخليۀ گاز در شبكه هاي مخابراتي، تفنگ هاي الكتروني براي ميكروسكوپ الكتروني، سوزن هاي ميكروسكوپ اتمي روبشي و تقويت كننده هاي ميكرو موج نام برد.

3.2سيستم هاي نانو الكترو مكانيكي (NEMS)

سيستم هاي ميكروالكترومكانيكي (MEMS) عمدتاً مانند ويفرهاي سيليكوني به روش فتوليتوگرافي ساخته مي شوند. اين سيستم ها در ابزارهايي مانند سنسورها، پمپ ها و روتورها استفاده مي شوند. در حال حاضر، MEMS يك صنعت 11 ميليارد دلاري است. در اين زمينه حركت از مقياس ميكرو به سمت نانو، امكانات و قابليت هاي جديدي را براي سيستم هاي الكترومكانيكي ايجاد مي كند. با وجود اين، فقدان انگيزه هاي كافي اقتصادي براي كوچك كردن ماشين ها تا مقياس نانو، باعث شده است كه تكامل سيستم هاي نانو الكترومكانيكي از روند آرامي برخوردار باشد.
يكي از اهداف نانو فناوري پيشرفت در زمينۀ الكترونيك و علوم كامپيوتر، براي ساخت حافظه ها و تراشه ها با قابليت بيشتر، و هزينۀ كمتر است. همان طور كه در بالا توضيح داده شد، دستيابي به اهداف در اين زمينه نقص هاي بسياري در ماشين ها را برطرف خواهد كرد. به خصوص حافظه ها و اسمبلرها، كه انقلاب عظيمي در صنعت الكترونيك، در حوزۀ فناوري نانو خواهد بود.
سيم چي،ع. آشنايي با نانو ذرات، انتشارات موسسۀ انتشاراتي دانشگاه صنعتي شريف،1387، 23-76
حبيبي، س. محمدي شادپور،م. نانو تكنولوژي و پيدايش كاربردهاي جديد، انتشارات الماس دانش، 1387، 23-55.
جهانشاهي،م. نانو فناوري زيستي و نانو فناوري مولكولي، انتشارات جهان نو، 1388، 10-12.
انجمن علمي دانشجويي نانوتكنولوژي دانشكده فني دانشگاه تهران، نانوتكنولوژي آئينه تكنولوژي آفرينش، كميتة مطالعات سياست نانوتكنولوژي، 1387، 11.
Santos PS. Tecnologia de Argilas aplicada a Argilas Brasileiras. Sa˜o Paulo: Sa˜o Paulo University; 1975.
Ramsharan Singh and Prabir K. Dutta, MFI: A Case Study of Zeolite Synthesis,1990, 10-17
G Papaccio, B Deluca, FA Pisanti. J Cell Biochem 71:479–490, 1998.
J Capiaumont, C Legrand, D Carbonell, B Dousset, F Belleville, P Nabet. J Biotechnol 39:49–58, 1995.
Laboratoire de Mate´riaux a` Porosite´ Controˆle´e, UMR-7016 CNRS, ENSCMu, UniVersite´ de Haute Alsace,3, rue Alfred Werner, 68093 Mulhouse Cedex, France, Nanozeolites: Synthesis, Crystallization Mechanism, and Applications, Chem. Mater. 2005, 17, 2494-2513

نويسنده : فرگل داودزاده
www.hupaa.com

نقش فناوري نانو در توسعة صنعت مغناطيس يكي از حوزه هايي كه انتظار مي رود فناوري نانو اثر فراواني بر پيشرفت آن داشته باشد، مغناطيس ها و مواد مغناطيسي است. با ورود نانوفناوري به علم و صنعت مغناطيس، بهبود زيادي دركيفيت مغناطيس ها ايجاد شده است و مغناطيس هايي با ابعاد كوچك و نيروي مغناطيسي بزرگ ساخته شده اند.

مغناطيس‌هاي كوچك و مثال موتور ساعت مچي

نانوفناوري با قابليت ها و توانايي هايي كه دارد، نقش مهمي را در توسعه و پيشرفت علوم و صنايع ايفا خواهد كرد و كارهايي را انجام خواهد داد كه قبلاً انجام آن ممكن نبوده است؛ به عنوان مثال، شما مي‌خواهيد موتوري را براي يك ساعت مچي طراحي نماييد، طبعاً اين موتور كوچك خواهد بود و اندازة اجزاي آن نيز كوچك‌تر خواهد شد و نمي‌توان از مغناطيس‌هاي معمولي و بزرگ براي ساخت آن استفاده كرد. براي ساخت اين موتور بايد از مغناطيس‌هاي قوي و كوچك استفاده نمود. اما ساختن اين مغناطيس‌هاي كوچك با فناوري معمولي ممكن نيست و احتياج به فناوري پيشرفته‌تري دارد. يكي از توانايي‌هايي كه نانوفناوري ايجاد مي‌نمايد، قابليت ساختن مغناطيس‌هاي كوچك است. در بعضي از پودرهاي مغناطيسي، كيفيت مغناطيسي با كاهش ابعاد ذره‌هاي پودر بهبود مي‌يابد. فريت‌هاي مغناطيسي كه مواد مغناطيسي سراميكي هستند از اين دسته‌اند. اين فريت‌ها شامل مغناطيس‌هاي سخت (مغناطيس‌هاي دايمي) و مغناطيس‌هاي نرم (مغناطيس‌هاي موقتي) هستند. در اين فريت‌ها، با كاهش ابعاد ذره‌هاي پودر تا ابعاد 500 تا 100 نانومتر، مي‌توان به مغناطيس‌هايي با كيفيت بسيار خوب دست يافت.
در بعضي از پودرهاي مغناطيسي، كيفيت مغناطيسي با كاهش ابعاد ذره‌هاي پودر بهبود مي‌يابد. فريت‌هاي مغناطيسي كه مواد مغناطيسي سراميكي هستند از ين دسته‌اند. ين فريت‌ها شامل مغناطيس‌هاي سخت (مغناطيس‌هاي ديمي) و مغناطيس‌هاي نرم (مغناطيس‌هاي موقتي) هستند. در ين فريت‌ها، با كاهش ابعاد ذره‌هاي پودر تا ابعاد 500 تا 100 نانومتر، مي‌توان به مغناطيس‌هاي با كيفيت بسيار خوب دست يافت.

كاربردهاي نانومغناطيس‌ها

امروزه نانومغناطيس‌‌ها همچون ساير مغناطيس‌ها گسترة كاربرد وسيعي دارند. يكي از كاربردهاي اصلي نانومغناطيس‌ها، استفاده از آنها در محيط‌هاي ذخيره‌سازي اطلاعات (Recording media) است. صفحه‌هاي مغناطيسي ذخيره‌سازي اطلاعات، مثالي از اين محيط‌ها هستند. سطح اين صفحه‌ها از جنس ذره‌هاي مغناطيسي است. اين ذره‌ها بايد بسيار ريز و داراي دانه‌بندي يكنواخت باشند. با استفاده از نانوفناوري امكان ساخت اين ذره‌‌ها فراهم شده است.كاربرد ديگر نانو مغناطيس‌ها در ساخت موتورهاي الكتريكي كوچك است. هنگامي كه اين موتورها كاربردهايي ظريف و حساس دارند، مغناطيس‌هاي استفاده شده در آنها با فناوري نانو ساخته مي‌شود.
نانومغناطيس‌ها در صنايع الكتروفتوكپي نيز استفاده مي‌شود. جوهرهاي استفاده شده در اين صنايع، داراي پودرهاي نانومغناطيس هستند.
از زمينه‌هاي جديد براي كاربرد نانوذره‌هاي مغناطيسي، توليد مايع‌ها و سيال‌هاي مغناطيسي است. اين مواد در براده‌برداري از سطوح و تصفيه آب مطرح هستند. صنايع پزشكي و بيولوژي يكي از زمينه‌هاي بزرگ براي استفاده از نانومغناطيس‌ها هستند كه در آنها نانوفناوري و زيست‌فناوري با هم تلاقي پيدا مي‌كنند. علاوه بر اين موارد، نانومغناطيس‌‌ها در صنايع نظامي، رايانه،‌ برق و خودرو نيز كاربرد دارند.
در بسياري از كاربردهايي كه ذكر گرديد،‌ محصولات نانومغناطيس‌ها وارد بازار شده‌اند.‌ متأسفانه در كشور ما به علت ضعف صنعت مغناطيس و عدم آشنايي توليدكننده‌ها با فناوري نانو،‌ توليد نانومغناطيس‌ها مطرح نيست.

انقلاب نانوفناوري در صنعت مغناطيس

امروزه بيشترين استفاده از نانومغناطيس‌ها به توليد نانوپودرهاي مغناطيسي مربوط مي‌شود. البته در كنار اين پودرها،‌ قطعه‌هاي مغناطيسي هم مورد استفاده هستند،‌ اما چون با كاهش ابعاد ذره‌هاي پودر، كيفيت قطعه‌هاي مغناطيسي هم بهبود مي‌يابد، بيشتر روي پودرها تكيه مي‌شود. ساخته‌شدن پودرهاي مغناطيسي در ابعاد نانو مي‌تواند انقلابي در صنعت مغناطيس ايجاد نمايد.

راهكارهاي توسعه تحقيقات نانو مغناطيس در كشور

براي توسعة صنعت نانومغناطيس در كشور بايد مشكلات توسعة فناوري نانو حل شود. براي برطرف‌كردن برخي از اين مشكلات، بايد تعريف مناسبي از جايگاه تحقيقات در دانشگاه‌ها ارايه شود. در حال حاضر بودجه‌هاي تحقيقاتي بين وزرات‌خانه‌هاي مختلف توزيع مي‌شود و دانشگاه‌ها براي كسب بودجه براي تحقيقات مجبور به مراجعه به اين وزارت‌خانه‌ها هستند. مبحث نانوفناوري، مبحثي است كه در چند سال اخير مطرح شده است و حتي در كشورهاي پيشرفته هم موضوعي نو شمرده مي‌شود؛ براي پيشرفت در اين فناوري بايد به دانشگاه ها مراجعه نمود چون دانشگاه‌ها در صف مقدم علمي كشور هستند و براي پرداختن به مباحث علمي روز دنيا بيشترين صلاحيت علمي را دارند.
از طرف ديگر فعاليت هاي ستاد نانوفناوري بايد پايدار و هدفمند باشد. تصميم هاي اين ستاد بايد به صورت متمركز باشد و از اعمال سليقه در آنها و تعدد مراكز تصميم‌گيري دوري شود. اولويت‌ها در اين مركز مشخص شود و بودجه‌ها و كمك‌هاي تعيين‌شده از جانب اين مركز به طور مناسبي توزيع گردد. به اين شكل متخصصان و پژوهشگران دلگرم مي‌شوند و در نتيجه نانوفناوري در كشور پيشرفت مي‌نمايد.
علاوه بر آنچه گفته شد براي پيشبرد صحيح فناوري نانو بايد تمامي اطلاعات مربوط به آن را تا حد ممكن گردآوري كرده و در اختيار افراد توانايي قرار داد كه بتوانند آينده را ترسيم و برنامه‌اي مشخص براي آينده فناوري نانو در كشور ارايه نمايند.

منبع :
www.material.itan.ir

فناوري نانو زمينه تقويت سلول‌هاي خورشيدي را فراهم كرده است يك تحقيق كه به تازگي انجام شده است، نشان مي‌دهد كه با جايگزين كردن نواري از نانو لوله‌هاي كربني به جاي يكي از دو لايه‌اي كه معمولا در يك سلول خورشيدي استفاده مي‌شود مي‌توان با صرف هزينه اندكي عملكرد اين سلول را تقويت كرد.
محققان روش شگفت آوري كشف كرده‌اند كه مي‌تواند خواصي را كه نانو لوله ها به اين منظور لازم دارند به آنها بدهد.
در حال حاضر، نوعي سلول‌هاي خورشيدي كه سلول‌هاي خورشيدي حساس به رنگ ناميده مي‌شوند يك نوار شفاف از جنس اكسيد دارند كه روي شيشه كشيده شده است و برق را عبور مي‌دهد. نوار ديگري نيز از جنس پلاتين وجود دارد كه مانند يك كاتاليست موجب تسريع فعل و انفعالات شيميايي مي‌شود.
با اين وجود، هر دوي اين مواد نقطه ضعف‌هايي نيز دارند.
نوارهاي اكسيد را نمي‌توان به راحتي بر روي مواد قابل انعطاف كشيد، آنها بر روي يك ماده سخت و مقاوم به حرارت مانند شيشه بهتر عمل مي‌كنند.
جسيكا ترانسيك از موسسه سانتا فه ، اسكات كالابريز بارتون از دانشگاه ايالتي ميشيگان و جيمز هون از دانشگاه كلمبيا تصميم گرفتند تا از نانولوله‌هاي كربني براي ايجاد يك لايه واحد استفاده كنند كه بتواند كار هر دو لايه اكسيدي و پلاتيني را انجام دهد .
براي اين منظور محققان نياز داشتند كه اين لايه واحد سه خاصيت، شفافيت، رسانايي و فعاليت كاتاليستي را داشته باشد.
نوارهاي معمولي نانولوله‌ها ي كربني، اندكي از اين سه خواص را دارند.
روش‌هاي معمول براي تقويت يكي از اين خواص باعث از بين بردن يك خواص ديگر مي‌شود.
براي مثال ضخيم تر كردن اين نوار آنرا كاتاليست بهتري مي‌كند اما در مقابل، از شفافيت نوا مي‌كند.
تئوري قبلي نشان داده بود، زمانيكه مواد نقص‌هاي ريز و كوچكي داشته باشند احتمالا كاتا ليست‌ها ي بهتري خواهند بود و مكان‌هايي را براي چسبيدن مواد شيميايي فراهم مي‌كاهد.
از اين رو محققان تلاش كردند تا نانولوله‌هاي كربني را در معرض ازن قرار دهند.ازن اندكي به اين لوله‌ها صدمه مي‌زند.
محققان دريافتند كه نوارهاي بسيار نازك، كاتاليست‌هاي بسيار بهتري مي شوند بطوريكه عملكرد آنها بيش از ‪ ۱۰‬برابر افزايش مي‌يابد.
محققان به منظور رسيدن به حد وسط شفافيت و رسانايي نانولوله‌هاي كربني بلندتري ساختند. اين خاصيت موجب تقويت رسانايي و شفافيت اين لوله‌ها شد.
نوارهاي نانو لوله كربني را مي‌توان در پيل‌هاي سوختي و باتري‌ها استفاده كرد.
محققان نتايج خود را در شماره اخير گزارش‌هاي نانو منتشر كردند.
محققان اكنون در صدد گرفتن پروانه ثبت اختراع براي روش‌هاي خود هستند.

برگرفته از هنر فيزيك
www.hupaa.com

مهمترين كاربردهاي نانو مواد در پزشكي امروزه با گسترش عرصة فناوري‌نانو، به ويژه در زمينة نانومواد، كاربردهاي زيادي براي اين مواد در علوم پزشكي مشاهده شده است، لذا توجه محققان علوم پزشكي را به خود جلب كرده است. با توجه به اهميت نانومواد در علوم پزشكي در زير بعضي از خواص و كاربردهاي آن به صورت اجمالي بررسي مي‌شود.
امروزه با گسترش عرصة فناوري‌نانو، به ويژه در زمينة نانومواد، كاربردهاي زيادي براي اين مواد در علوم پزشكي مشاهده شده است، لذا توجه محققان علوم پزشكي را به خود جلب كرده است. با توجه به اهميت نانومواد در علوم پزشكي در زير بعضي از خواص و كاربردهاي آن به صورت اجمالي بررسي مي‌شود.

1) نانومواد خام و ساختاري

از نانوذرات و نانوبلورها مي‌توان به عنوان مواد زيست‌سازگار در پوشش‌دهي، كپسوله‌كردن داروها، جايگزيني استخوان، پروتزها و در كاشتني‌ها استفاده كرد. مواد نانوساختاري نيز شكل ديگري از نانومواد خام مي‌باشند كه عملكرد ويژه‌اي دارند. نمونه‌هاي اين مواد نانوساختاري، نقاط كوانتومي و درخت‌سان‌ها مي‌باشند كه در زير انواعي از آن‌ها ذكر شده است.

1,1 ) نانوپليمرها

نانوپليمرها در پزشكي به شكل‌هاي زير به كار برده مي‌شوند:
- داروي پليمري: از يك پليمر فعال زيستي تشكيل شده است.
- پيوند دارو با پليمر: از يك پليمر محلول در آب، يك عامل مناسب و يك اتصالگر كه عوامل‌، پليمر و هدف را به هم متصل مي‌كند تشكيل شده است.
- پيوند پروتئين با پليمر: بلوك پليمري شامل يك بخش آب‌دوست و يك بخش آب‌گريز است كه در محلول‌هاي آبي مايسل‌هايي را به وجود مي‌آورد تا در سيستم رهايش دارويي به كار روند.
- درخت‌سان‌ها: مولكول‌هايي با قطر 10-1 نانومتر هستند. اين مولكول‌ها مي‌توانند از منافذ عروق و بافت‌هاي كوچك در ابعاد نانو عبور نمايند. درخت‌سان‌ها در سيستم رهايش دارو به كار گرفته مي‌شوند و ظرفيت گيرايش در حدود %25 (w/w) را دارا مي‌باشند.
- ليپوزوم‌ها: ليپوزوم‌ها وزيكول‌هاي دولايه فسفوليپيدي كوچكي مي‌باشند كه پايه آنها مولكول‌هاي آمفي‌فيليك فسفو‌ليپيدي است كه ليپوزوم‌ها را در محيط‌هاي آبي شكل مي‌دهند. انتهاي آب‌دوست آنها به طرف آب و طرف آب‌گريز آن به سمت مركز لايه مي‌باشد. ليپوزوم‌ها مي‌توانند تك‌لايه‌هايي به ‌اندازه 50-20 نانومتر و دو لايه‌هايي با اندازه‌اي بالاتر از10 ميكرومتر به وجود آورند.
- نانوذرات ليپيدي جامد: ليپيدهاي جامد در داروهاي آب‌گريز به‌ كار برده مي‌شوند كه داراي قطري مابين 50 نانومتر تا 1 ميكرومتر مي‌باشند. ليپيدهاي فيزيولوژيكي همانند گليسريدها توانايي زيستي و تخريب‌پذيري مناسب‌تري را دارند.

2.1 ) فولرين‌ها و نانولوله‌ها

اين مواد شگفت‌انگيز شكل جديدي از مولكول‌هاي كربن هستند و با ايجاد تغييراتي در آنها، به صورت زيست‌سازگار با بدن بوده (به صورت غيرمحلول) و كاربردهاي مفيدي در پزشكي دارند. بيشترين كاربرد اين مواد در پزشكي در ساخت ماهيچه‌هاي مصنوعي، سيستم رهايش دارو و همچنين در ساخت عروق (با ويژگي انحراف گلبول‌ها و جلوگيري از رسوب آنها) است. اين تركيبات به وسيله گروه‌هاي شيميايي فعال مي‌شوند و براي اتصالات آنزيمي گيرنده‌ها، مناسب مي‌باشند.

3,1 ) نانوذرات غيرآلي

- نانوذرات فسفات كلسيم

نانوذرات فسفات كلسيم از نمك‌هاي غير آلي تهيه شده و قطري ما بين 400 تا 600 نانومتر دارند. اين ساختارها مي‌توانند % 20 w/w پروتئين‌ها را پر نمايند. همچنين از اين ذرات مي‌توان به صورت ويزيكول در واكنش‌ها استفاده كرد. بهترين ويژگي اين مواد سايش آنهاست و بر عكس آلومينيوم كه در بعضي مواقع سيستم ايمني بدن را تحريك مي‌كند اين نانوذرات خطرشان حدود 100 برابر كمتر از آلومينيوم است.

- نانوذرات طلا

نانوذرات طلا به علت داشتن خاصيت چسبندگي، كانديداي مناسبي براي سيستم رهايش دارويي مي‌باشند.
كاربرد ديگر اين نانومواد كامپوزيت‌هايي است كه داراي هسته‌هاي دي‌الكتريك و پوسته‌هاي طلا مي‌باشند. البته اين كامپوزيت‌ها هم براي سيستم رهايش دارويي مناسب مي‌باشند. با انتخاب نسبت درستي از اندازه هسته به پوسته، ويژگي‌هاي متفاوتي حاصل مي‌گردد. نانوذرات در بهترين نسبت اندازه، ماكزيمم جذب را در نزديكي مادون قرمز نشان مي‌دهند. با تابش طول موج مناسب به اين نانوذرات در بافت‌هاي عمقي پوست، اين نانومواد گرم شده و نوع جديدي از رهايش دارويي ايجاد مي‌شود.

- نانوذرات سيليكاتي

نانوذرات سيليكاتي در سيستم رهايش DNA استفاده مي‌شوند. كلوئيدهاي SiO2 كه سطوح آنها با آمينوالكيل‌سيلان‌ها به طور كووالانسي اصلاح شده‌اند، كمپلكس‌هاي مناسبي با DNA ايجاد مي‌نمايد، كه نسبت به ديگر حامل‌هاي DNA اين نانوذرات سميت كمتري را از خود نشان داده‌اند.

4,1) مواد كامپوزيتي و نانوالياف‌‌هاي آلي

نانوالياف‌هاي آلي همانند نانوالياف‌هاي كربني (pcu15-c ) چسبندگي سلولي بالايي در استئوبلاست‌ها نشان مي‌دهند. نانوالياف‌هاي كربني در كاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي هم كاربرد دارند. آنها وزن كمي دارند و همانند بلور‌هاي Hap گسستگي بالايي از خود نشان مي‌دهند.

2) پوشش‌دهي نانومواد در كاشت‌ بافت‌ها

فناوري‌نانو در توليد مجدد بافت‌هاي بدن، بافت‌هاي جايگزين و به عنوان ترميم كننده، ايده جديدي ارائه نموده است .
مواد كاشتني در بدن ممكن است باعث واكنش‌زايي سيستم ايمني بدن، خوردگي، اتصال نامناسب و كوتاه مدت گردد. اين عوارض سبب مي‌شوند كه مجدداً (به علت شل شدگي) روي كاشتني‌ها عمل جراحي صورت گيرد. بنابر اين براي اتصال، چسبندگي بيشتر و توليد يك منطقه سطحي به حجمي بزرگ‌تر و نيز رفع اين عوارض از روش‌هايي مانند پوشش كاشتني‌ها استفاده ‌مي‌شود. اين روش در كاشتني‌هاي بافت‌هاي سخت مانند استخوان و دندان كاربرد بيشتري دارد.

1,2) پوشش كاشتني‌ها

رويكرد جديد، براي افزايش طول عمر كاشتني‌، پوشش دادن نانوساختاري سطوح كاشتني‌‌ها مي‌باشد.
مواد زيست‌سازگار نانوساختار نسبت به نوع ماكروساختار آن عملكرد زيستي بهتري نشان مي‌دهند. ِنانومواد استفاده شده در پوشش‌دهي كاشتني‌ها مي‌توانند باعث افزايش زيست‌سازگاري، چسبندگي، ماندگاري و دوام آنها شوند. كاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي چندين سالي است كه به كار برده مي‌شوند. (از ذرات هيدروكسي آپاتيت (HAP ) براي پوشش كاشتني‌هاي hip كه در سال 1960 ميلادي مطرح شده و امروزه كاربرد زيادي در بدن دارد استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر پوشش كاشتني hip، در پيچ‌هاي فلزي نيز استفاده مي‌شوند).
نانومواد ديگري همانند پلي وينيل الكل (PVA) (به عنوان پوشش‌دهنده و كاشتني‌ در رگ‌هاي خوني در قلب مصنوعي، پيوند عروق و كاتترها و به عنوان پخش‌كنندة لخته‌هاي خوني و جلوگيري از شكل‌گيري آنها)، كيتوسان و دكستران در نانوذرات مغناطيسي (براي جداسازي يا از بين بردن سلول‌هاي سرطاني و ميكروارگانيسم‌ها) امروزه مورد تحقيق و مطالعه زيادي قرار گرفته‌اند

الف) پوشش نانوساختار الماس

آلياژهاي Co-Cr براي اتصالات و پلي‌اتيلن‌ها با وزن مولكولي بالا در حفرات به كار مي‌روند، اما مشكل اينجاست كه آلياژهاي كبالت زيست‌سازگاري مناسبي با بدن ندارند و پلي‌اتيلن با وزن مولكولي بالا نيز به علت سايش بالا و شل‌شدن براي بدن مناسب نمي‌باشد. تيتانيوم به عنوان يك جايگزين داراي زيست‌سازگاري مناسبي است اما باز هم مشكلات زيستي را به همراه دارد. يكي از راه‌هاي مناسب براي بالا رفتن كيفيت كاشتني‌هاي تيتانيوم، پوشش‌دهي آنها با الماس مي‌باشد. اين پوشش مي‌تواند با روش‌CVD بر روي كاشتني‌ها رسوب داده شود. لذا با انتخاب مناسب شرايط فرآيند (تركيب گاز) مي‌توان لايه‌هاي نانو بلوري الماس، با ضخامت حدود 15 نانومتر ايجاد كرد. اين لايه‌ها زيست‌سازگاري بالايي داشته و براي اشخاصي كه حساسيت دارند مناسب مي‌باشند.

ب) هيدروكسي آپاتيت (HAP)

حدود %70 وزن استخوان را HAP تشكيل مي‌دهد اين ماده به علت كنش فيزيكي قوي، براي كاشتني‌ها مناسب است.HAP براي پوشش دادن كاشتني‌هاي تيتانيومي و كبالت كروم به كار مي‌رود تا باعث تسريع استخوان‌سازي شود. اين به علت شباهت ساختاري اين ذرات به استخوان و چسبندگي سلولي آنها مي‌باشد. نانوذرات HAP با ويژگي‌هاي مشابه به استخوان بدن، يك ماده مناسب براي پوشش مي‌باشند. كاشتني‌هاي استخواني ساخته شده با مواد متداول شكننده‌اند، اين به علت اندازة بزرگ دانه‌ها و همچنين آلودگي‌هاي سطوح مولكولي و ناخالصي‌هاست، كه در نهايت باعث پس‌زدگي كاشتني از بدن مي‌گردد.
با بهره‌گيري از نانوذرات HAP درصد خلوص مولكولي افزايش و ويژگي‌هاي مكانيكي نيز بهبود مي‌يابد. كاشتني‌هايي با چنين پوششي، كمترين شكستگي و پس‌زدگي را خواهند داشت. همچنين براي چسبيدن به استخوان و موارد ديگر نيز از نانوذرات HAP براي پوشش استفاده مي‌شود.

پ) پوشش‌دهي استنت‌ها (Stents)

بيماران قلبي دچار عارضة بسته شدن عروق كرونر از استنتهاي خيلي كوچك فلزي به عنوان داربست استفاده مي‌نمايند. اين استنت‌ها از نوع فولاد مي‌باشند كه در عروق جاي مي‌گيرند تا جريان خون به قلب را برقرار كنند و عروق را باز نگه دارند. حدود 30 تا 50 درصد استنت‌ها به علت رشد بافت همبند در محل زخم، باعث بسته شدن يا به خطر افتادن جان بيمار به دليل بسته شدن عروق خوني مي‌گردند. مي‌توان با استفاده از نانوذرات تيتانيوم و ديگر مواد به عنوان ماده زيست‌سازگار و پوشش‌دهنده، احتمال ترمبوز را كم نمود.

ت) نانوذرات به عنوان سطوح آنتي باكتري

نانوذراتي همانند TiO2 به دليل ويژگي‌ فوتوكاتاليستي اثر ضد باكتري دارند. همچنين به دليل اندازة كوچك‌شان شفافند. كاربرد ضد ميكروبي نانوذرات تيتانيوم بر روي سطح مي‌تواند براي تجزيه مواد مضر محيطي استفاده گردد.

3) داربست‌هاي توليد مجدد بافت

مواد نانوساختاري باعث بهبود ويژگي‌هاي داربست بافتي مي‌شوند. همچنين باعث بهبود عملكرد در زمينه‌هايي همانند تاثيرگذاري در ساختار داربست (مانند درصد تخلخل، اندازه سوراخ ها و استحكام‌دهي مكانيكي داربست) مي‌شوند.

4)نانومواد در مواد كاشتني‌‌ ساختاري

استخوان يك ماده با استحكام بالاست. استخوان بيشتر از ساير ساختارهاي بدن داراي اتصالات دروني با سوراخ‌هاي مرتبط مي‌باشد كه اجازه عبور مواد مغذي و سيالات بدن را از خود مي‌دهد. در مواردي همانند شكست استخوان، عيوب استخواني و غيره، استخوان‌ها نيازمند جبران يا جايگزيني مي‌باشند.
مواد نانوساختاري همانند نانوسراميك‌هاي با استحكام بالا ( هيدروكسي آپاتيتHAP و آپاتيت فسفات كلسيم CPA) به عنوان پركننده و شكل‌دهندة عيوب استخواني، در ترميم و جبران بافت استخواني به كار برده مي‌شوند. لازم به ذكر است كه استخوان به طور طبيعي داراي 70 % وزني HAP مي‌باشد. نانوسراميك‌ها علاوه بر جايگزيني با استخوان‌هاي سبك و استحكام كم، براي استخوان‌هاي وزين و مستحكم نيز به كار مي‌روند. از نانوسراميك‌هاي CPA، با اندازه ذراتي در حدود 50 نانومتر نيز با اتصال به همديگر به عنوان رابط بافت استخواني استفاده مي‌شود.

5) نانومواد قابل جذب در بدن

پليمرهاي قابل جذب در بدن در كاربردهاي پزشكي مانند توليد نخ‌هاي بخيه كاربرد وسيعي دارند. كاشتني‌هاي نانوساختاري قابل جذب در بدن به گونه‌اي سنتز مي‌شوند تا با سرعتي مناسب تجزيه گردند و به سمت التيام بافت هدايت شوند. البته اين نانوذرات در سيستم رهايش دارويي هم كاربرد فراواني دارند.

6) مواد هوشمند (Intelligent materials)

اين مواد با تغييرات محيطي همانند دما, فشار, و ... تغيير مي‌يابند. اين تغيير بر اثر فرايندهاي فيزيكي و شيميايي حاصل از مكانيزم‌هاي تاثيرگذار بدن مي‌باشد. به عنوان نمونه، ماهيچه‌هاي مصنوعي با استفاده از پليمرهاي هوشمند در برابر ويژگي‌هاي مكانيكي خم و راست مي‌گردند و انعطاف پذير مي‌باشند. نمونه ديگري از اين مواد، هيدروژل‌ها هستند كه در سيستم رهايش دارويي بكار مي‌روند و در محيط شيميايي بدن قابل حل مي‌باشند.

اسماعيل بي آزار
خبرگزاري فارس

فناوري نانو در جهان امروز پيشرفت علوم و فناوري پس از جنگ جهاني دوم با اختراعاتي مانند کامپيوتر وDNA، آنچنان خارق العاده بود که آن را به عنوان انقلابي ترين دوران در تاريخ علم بشر به شمار ميآوردند. به عبارتي در اين دوران نه تنها فناوري هاي عصر صنعت به منظور حل معضلات و مشکلات عديده جوامع، مسايل زيست محيطي و بحران هاي کمبود انرژي بهبود يافت، بلکه بشر توانسته با دستيابي به فناوري هاي جديد مانند فناوري اطلاعات و بيوفناوري به پيشرفت هاي تکنولوژيکي چشمگيري دست يابد.
انسان توانسته است رفته رفته با آغاز دخالت در سطوح عميق تر طبيعت، به جاي سر و کار داشتن با توده هاي عظيمي از ماده، اکنون موادي خلق کند که به طرز باورنکردني نازک و کوچک هستند. اين ديگر پيشرفت نيست، بلکه خود انقلابي ديگر محسوب مي شود. به عبارت ديگر کشورهاي پيشرفته صنعتي به علت سرمايه گذاري هاي عظيم در اين حوزه نوين علم و فناوري به زودي خواهند توانست مجموعه کاملي از مواد جديد سفارشي را به کمک ترکيبات نانو از ابتدا خلق کنند، که شکاف عقب ماندگي آنها را به کشورهاي درحال توسعه بيش از پيش فزوني خواهد بخشيد.
از آن زمان که ريچارد فيمن (فيزيکدان آمريکايي و برنده جايزه نوبل سال 1965)توجه انديشمندان را به اين مقوله از علم جلب کرد، تاکنون پيشرفت هاي زيادي جهت دقيق کردن تعريف دانش نانو به وجود آمده است. فيمن با اشاره به چگونگي چينش مولکول ها و اتم ها و فضاي اطراف آنها و بيان جمله معروف \"آن پايين ها فضاي بسياري وجود دارد\"، چشم اندازهاي علمي جديدي را به تصوير کشانده که در آن ميلياردها شي که وي آنها را کارخانه هاي کوچک مي ناميد، در حال ساختن نسخه هايي از خودشان با رفتاري کاملا مشابه بودند. 15 سال بعد دانشمندي ژاپني اصطلاح فناوري نانو را در دانشگاه توکيو به کار برد. اما در واقع اين درکسلر آمريکايي بود که با کتاب مشهور خود، موتورهاي خلق کننده، جهان را به اهميت نانو آگاه ساخت. به طور کلي نانو يک کلمه يوناني (Dwarf) به معني از حد معمول کوتاه تر و کمتر است. از طرفي با توجه به اينکه نانو فناوري مقوله اي نوپا و گسترده است، هنوز يک تعريف همه جانبه از آن ارايه نشده. با اين وجود همگان در اين توصيف ساده که فناوري نانو دانشي است که به ما اجازه دست کاري مواد در اساسي ترين سطوح يعني اتم ها را مي دهد، توافق دارند. در اين فناوري امکان ساخت مواد با استفاده از چينش مولکول به مولکول و توانايي آرايش مواد با دقت اتمي در حد نانومتر فراهم مي شود. کاربردهاي نانوفناوري بعضا عبارت است از: مواد، پزشکي و بهداشت، داروسازي، الکترونيک و کامپيوتر، محيط زيست، بيو فناوري، دفاع، انرژي، کشاورزي و بسياري صنايع چون نساجي، فولاد، برق و....
نانو فناوري در عمل به سه شاخه اساسي; نانو فناوري مرطوب، خشک و محاسباتي تقسيم مي شود. نظر به اينکه نانو فناوري محاسباتي که به مدل سازي، شبيه سازي و مطالعه خواص مواد جديد به وسيله رايانه مي پردازد، هر دو زمينه قبلي را تحت پوشش قرار داده و نياز به استفاده از تجهيزات گران قيمت آزمايشگاهي ندارد، به همين علت در جهان از استقبال بيشتري برخوردار است. همچنين امروزه دو تغيير از نانو فناوري; يکي حرکت از بزرگ به کوچک، شامل مواردي مانند کوچک تر کردن هر چه بيشتر تراشه هاي رايانه اي و ديگري حرکت از کوچک به بزرگ به معناي ساخت مواد با کنار هم قرار دادن تک تک اتم ها يا مولکول ها در دست است.
صرف نظر از ويژگيهاي عمومي فناوري نانو به عنوان يک فناوري نوين که مواردي مانند سرعت رشد بالا، حجم کم و ارزش افزوده بالا، فاصله کم تحقيقات تا بازار، ضرورت انجام فعاليت هاي تيمي به علت بين رشته اي بودن، دانش محور بودن و نياز به نيروهاي متخصص و همچنين لزوم استفاده از سيستم هاي انعطاف پذير و پويا جهت رشد، قوانين و مقررات خاص، مراکز تجاري سازي و بازاريابي و سرمايه گذاري هاي مخاطرهآميز را جهت آن سبب مي شود. ديگر ويژگي هاي نانوفناوري بعضا عبارتند از: عام بودن و کاربرد در بسياري از فناوري هاي ديگر (به گونه اي که بعضي آنها را متحول مي نمايد)، مکمل و پايه بودن (نانوفناوري رقيب ساير فناوري ها نيست)، ايجاد خلاقيت و کارآفريني، تاثير بسزايي بر رفاه و زندگي مردم، امنيت و دفاع ملي و حفاظت از محيط زيست، ايجاد تحول در تمامي دستاوردهاي گذشته بشر که در ماده تحقق يافته اند، همگراسازي رشته هاي علمي و تخصص هاي مختلف، کاربردهاي مختلف آن با هزينه هاي توليد و نگهداري کمتر; مصرف انرژي پايين تر; دوام و طول عمر بيشتر و خواص بهتر، در نهايت آنکه نانوفناوري معيارها و استانداردهايي را به وجود خواهد آورد که کساني که در توليد محصولات آن تاخير داشته باشند، نمي توانند در آينده فروشنده آنها باشند.
با توجه به اينکه در حال حاضر روند پرشتاب و رو به جلوي اين فناوري نوظهور را در جهان به علت ويژگي ها و فوايد آن به هيچ وجه نمي توان متوقف ساخت، اولين بار کار گروهي توسط کميسيون Europe-NSF به منظور پيگيري مباحث مربوط به حوزه حقوق فناوري نانو در سال 2002 تشکيل شد و از آن زمان تاکنون فعاليت هاي متعدد ديگري در اين زمينه در آمريکا، اروپا و ساير نقاط جهان به انجام رسيده است.
نانو فناوري در حال حاضر يک پديده جهاني شناخته شده است و بسياري از محققان و صاحبنظران آن را مساوي آينده دانسته اند. لذا در حال حاضر طيف وسيعي از شرکت هاي بزرگ نوپا- حدود 900 شرکت- براي توليد محصولات خاص بر مبناي اين فناوري تاسيس شده اند. از طرف ديگر بررسي آمارها و اطلاعات حاکي از سرمايه گذاري هاي زياد برخي شرکت هاي بزرگ جهاني جهت تحقيق و توسعه در اين زمينه ها است. همچنين مطالعه اوضاع جهاني در حيطه هاي علوم و فناوري نانو به روشني نشان مي دهد که اين موارد بعضا در کشورهاي پيشرفته صنعتي در رده اولويت هاي درجه اول ملي و در ساير کشورهاي اروپايي و آسيايي در رده اولويت هاي بسيار بالاي ملي قرار گرفته است. اين کشورها که پيشگامان تحقيق و توسعه در اين زمينه ها هستند، از هم اکنون با سرمايه گذاري هاي بزرگ و مستمر خود در حوزه هاي آموزشي، پژوهشي علوم و فناوري مقياس نانو تلاش دارند تا جايگاه مطمئني را براي آينده اقتصاد خود در بازار عظيم يک هزار ميليارد دلاري تخمين زده شده جهاني جهت محصولات نانو فناوري طي سال 2015 تعيين کنند. بدون شک آمريکا در حال حاضر پيشتاز تحقيقات نانو در جهان است. اين کشور در سال 2003 بيش از 770 ميليون دلار به برنامه ملي خود در اين زمينه اختصاص داده بود. اروپا نيز به منظور اجتناب از مخاطرات آتي در حال برداشتن گام هايي بلند در سطح ملي و بين المللي براي تصاحب سهم جهاني خود در بخش نوظهور اين صنعت است. چنانچه بر اين اساس بودجه 1485 ميليون دلاري براي امکان ارتقا، نانوفناوري از وضعيت فعال کليدي در برنامه هاي قبلي به اولويت اول موضوعي در ششمين برنامه پنج ساله تحقيق و توسعه اروپا تخصيص داده شده است.
سرمايه گذاري 431 ميليون دلاري ژاپن روي نانوفناوري نيز حاکي از توجه سياستگذاران تحقيقاتي اين کشور است. سرمايه گذاري 3/02 ميليون دلاري در بزرگ ترين مرکز تحقيقاتي نانوفناوري در پکن هم بيانگر علاقمندي سياستگذاران چيني براي سرمايه گذاري در زمينه نيمه هادي ها، مواد منفجره و نانوکاتاليست ها است. کره جنوبي نيز چند سالي است که تحقيقات پايه در مقياس هاي ميکرو و نانو را به ويژه با بهره گيري از بخش خصوصي آغاز کرده است.
امروزه خلق ثروت از دانش و فناوري در جهان اهميت بسزايي يافته است. به گونه اي که در قرن بيست و يک انتظار مي رود اقتصادهاي مبتني بر دانايي در بسياري از کشورها شکل گرفته و جوامع اطلاعاتي دانش محوري که در آنها ثروت ملي و رشد اقتصادي در قالب ايده ها و دانش فناوري و نه در قالب مواد سنجيده مي شود، يکي پس از ديگري پديدار و توسعه يابند. اهميت دستيابي به علوم و فناوري نانو به عنوان فناوري آينده جهان با توجه به ويژگي هاي خاص آن به گونه اي که شکوفايي بسياري از فناوري هاي مهم ديگر از جمله دو دستاورد بسيار عظيم قرن بيستم يعني فناوري اطلاعات و بيوفناوري را برعهده آن دانسته اند به خوبي مشهود است.

نويسنده: حسين - پيرحياتي
منبع: روزنامه - مردم سالاری

فناوري نانو در خدمت توليد واكسن
بيماري‌هايي نظير سرطان و مالاريا همچنان وجود دارند و همه ساله شمار قابل توجهي از مردم سراسر جهان قرباني اين دو بيماري مهلك مي‌شوند. با اين حال بايد پذيرفت كه نرخ قرباني‌شدن چنين بيماراني در مقايسه با گذشته كاهش چشمگيري داشته است و اين موضوع به خاطر پيشرفت‌هاي قابل توجهي است كه در علم پزشكي نوين صورت گرفته است. در اين ميان فناوري نانو از جمله فناوري‌هاي تأثيرگذار بوده است و اكنون و در تازه‌ترين مرزگشايي‌هاي صورت گرفته، گروهي از محققان دانشگاه MIT موفق به طراحي و ارائه نانوذرات جديدي شده‌اند كه مي‌توان براي آن آينده روشني همچون توليد واكسن‌هايي براي درمان ايدز، مالاريا و ساير بيماري‌هايي از اين دست ترسيم كرد.
البته در سال‌هاي اخير و همزمان با پيشرفت‌هاي صورت‌گرفته در عرصه فناوري نانو واكسن‌هاي مشابهي ارائه شده است، اما آنچه اخيرا در دانشگاه MIT انجام شده است را مي‌توان نسخه تكامل‌يافته‌اي از تلاش‌هاي چند ساله اخير نام برد.
در حقيقت آنها نوع جديدي از ذرات نانويي را ارائه كرده‌اند كه مي‌توانند واكسن‌هاي تأثيرگذار در درمان بيماري‌هايي نظير HIV و مالاريا را به بدن بيماران و نقاط از پيش تعيين شده منتقل كنند. اين ذرات جديد تركيبي از گوي‌هاي چربي هستند كه مي‌توانند نسخه‌هاي تركيبي از پروتئين‌هايي كه به طور طبيعي از سوي اين ويروس‌هاي خطرناك توليد مي‌شوند را حمل كنند.
اما اين تنها بخشي از فرآيندي است كه محققان دانشگاه MIT انتظار آن را دارند. اين ذرات در ادامه واكنش قوي ايمني را موجب مي‌شوند كه در مقايسه با واكنش توليد شده از سوي واكسن‌هاي مشابه قبلي از سطح بالاتر ايمني برخوردارند. چنين ذراتي مي‌توانند به دانشمندان در توليد واكسن‌هايي عليه سرطان و بيماري‌هاي سخت ديگري نظير آن كمك زيادي كند. محققان دانشگاه MIT با همكاري گروهي از دانشمندان انستيتو تحقيقات والتر ريد ارتش آمريكا اين نانوذرات را ارائه كرده‌اند و به ثمربخش بودن آنها اميدهاي زيادي دارند. آنها هم‌اكنون در مرحله‌اي قرار دارند كه در آن توانايي نانوذرات در انتقال واكسن مؤثر عليه مالاريا به موش‌هاي آزمايشگاهي مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
اكنون اين پرسش مطرح مي‌شود كه واكسن‌ها چگونه بدن را در برابر بيماري‌هاي سختي نظير مالاريا و حتي سرطان ايمن مي‌كنند؟
واكسن‌ها در حقيقت حاوي تركيبات ضعيفي از عامل اصلي بيماريزا هستند كه سيستم ايمني بدن را براي رويارويي احتمالي با تركيبات اصلي و قوي در آينده آماده مي‌كند.
در بسياري از موارد نظير واكسن‌هاي آبله يا فلج اطفال فرم مرده يا نيمه جان ويروس به كار گرفته مي‌شود. در واكسن‌هاي ديگر نظير ديفتري تركيبي از نسخه تركيب شده يك پروتئين يا ساير مولكول‌هايي كه به وسيله پاتوژن بيماريزا توليد مي‌شوند به كار گرفته مي‌شوند.
به طور كلي زماني كه دانشمندان واكسني را طراحي مي‌كنند، تلاش مي‌كنند تا حداقل يكي از 2 بازيگران اصلي بدن انسان در ايجاد واكنش از سوي سيستم ايمني بدن را تحريك كنند: سلول‌هاي T كه به سلول‌هايي حمله‌ور مي‌شوند كه به وسيله پاتوژن (عامل بيماريزا) آلوده شده‌اند يا سلول‌هاي B كه آنتي‌بادي‌هايي را ترشح مي‌كنند كه ويروس‌ها يا باكتري‌هاي موجود در خون يا ساير تركيبات مايعي موجود در بدن را هدف قرار مي‌دهند. براي بيماري‌هايي نظير HIV كه پاتوژن‌هاي آن تمايل به ماندن در درون سلول دارند پاسخ قدرتمندي از سوي سلول‌هاي T كه تحت عنوان سلول‌هاي T قاتل شناخته مي‌شوند نياز است. بهترين راه براي تحريك اين سلول‌ها و وارد كردن آنها به كارزار استفاده از ويروس ناتوان يا مرده است اما براي رويارويي با HIV نمي‌توان چنين كاري را انجام داد زيرا استفاده از ويروس مرده يا ناتوان HIV ثمر چنداني ندارد. در حال حاضر دانشمندان براي فاصله گرفتن از خطرات احتمالي ناشي از استفاده از ويروس‌هاي زنده يا نيمه جان به كار بر روي واكسن‌هاي تركيبي عليه HIV و ساير بيماري‌هاي ويروسي نظير هپاتيت B روي آورده‌اند. اگرچه اين واكسن‌ها ايمن‌تر هستند اما پاسخ بسيار قدرتمند سلول‌هاي T را موجب نمي‌شوند. اخيرا دانشمندان تلاش جالب توجهي را براي غلبه بر اين مشكل آغاز كرده‌اند. آنها واكسن‌هاي توليدي را با استفاده از ريز قطرات چربي موسوم به ليپوسوم مي‌پوشانند. اين ريز قطرات تأثير قابل توجهي در تحريك سلول‌هاي T و ايجاد واكنش مؤثر از سوي آنها دارند. با اين حال هنوز يك مشكل ديگر وجود دارد و آن، اين است كه ليپوسوم‌ها پايداري بسيار ضعيفي در خون و ساير تركيبات مايعي بدن دارند.
اما محققان دانشگاه MIT براي غلبه بر اين چالش فني نيز راهكار جالب توجهي پيدا كرده‌اند. آنها بر آن شده‌اند تا اين ريزقطرات چربي را در گوش‌هاي بسيار مستحكمي و به صورت يكپارچه قرار دهند. به محض اين‌كه ليپوسوم‌ها در ارتباط با يكديگر قرار مي‌گيرند، ديواره آنها براساس يك سري فعل و انفعالات شيميايي در هم قلاب مي‌شوند.
در نتيجه ساختار مستحكم و پايداري شكل مي‌گيرد كه در خرد شدن آنها در ادامه روند تزريق احتمال بسيار اندكي دارد. با اين حال زماني كه نانوذرات تزريق شده از طرف يك سلول جذب مي‌شوند به سرعت تجزيه مي‌شوند.
اين همان چيزي است كه محققان به دنبال آن هستند يعني جذب نانوذرات از سوي سلول. اين فرآيند به سرعت انجام مي‌شود و در نتيجه آن واكسن آزاد شده و واكنش سلول T را موجب خواهد شد. اين فناوري هم اكنون در مراحل ابتدايي خود قرار دارد و دانشمندان تاكنون آن را روي موش‌هاي آزمايشگاهي انجام داده‌اند. با اين حال آنها اميدوار هستند، چون نتايج به دست آمده از موش‌هاي آزمايشگاهي، اميدواركننده بوده است. در آزمايشاتي كه روي موش‌هاي آزمايشگاهي انجام شده است، محققان از نانوذرات براي انتقال پروتئيني موسوم به ovalbumin به بدن موش‌ها استفاده كرده‌اند.
اين پروتئين در مطالعات ايمني‌شناسي براي دانشمندان كاملا شناخته شده است زيرا هم‌اكنون ابزارهاي لازم جهت تشخيص واكنش طبيعي از سوي سيستم ايمني بدن نسبت به اين مولكول وجود دارند. نتايج تحقيقاتي كه روي موش‌هاي آزمايشگاهي انجام شده است حتي فراتر از تصورات قبلي آنها بوده است.
نكته مهمي كه محققان را به ادامه اين تحقيقات اميدوار كرده اين است كه اين تكنيك واكنش قابل توجهي را از سوي سيستم ايمني بدن در قبال پاتوژن‌ها موجب مي‌شود.
محققاني كه در انستيتو تحقيقات والتر ريد ارتش آمريكا با محققان دانشگاه MIT همكاري كرده‌اند مطالعاتي روي مالاريا داشته‌اند و توانسته‌اند با استفاده از همين تكنيك به انتقال واكسن اين بيماري به موش‌هاي آزمايشگاهي بپردازند. نقطه قوت اين فناوري نوين دستاوردهاي اميدواركننده‌اي است كه دانشمندان در سال‌هاي اخير در عرصه فناوري نانو كسب كرده‌اند.
اين موفقيت‌ها كه حتي در حال حاضر برخي از آنها به مرحله كاربردهاي عملي نيز رسيده است راه را براي مرزگشايي‌هاي جسورانه‌تر و توليد و انتقال مؤثر واكسن خطرناك‌ترين بيماري‌ها نظير HIV و مالاريا باز كرده‌اند. محققان دانشگاه MIT نيز اميدوارند تا كمتر از يك دهه آينده نخستين نتايج عملياتي اين دستاورد نوين مشاهده شود. در آن زمان است كه مي‌توان به جرأت گفت بيماري‌هايي نظير HIV و مالاريا براي هميشه ريشه‌كن مي‌شوند.

مترجم: مهدي پيرگزي
منبع: MIT University
روزنامه جام جم

كاربرد نانو تكنولوژي درساخت صنايع گوناگون در اين مقاله به بررسي كاربرد كنوني فناوري نانو تكنولوژي در ميان مدت و بلند مدت پرداخته ايم كه مواردي از آن به طور خلاصه نقل مي شود.
جهان امروز نيازمند استفاده از ابزارهاي جديدي براي ارتقاي سطح زندگي بشر است. روزانه مواد گوناگوني بر اثر كار و كوشش و تحقيقات به دست آمده، در چرخه توليد انبوه قرار گرفته و به بازار تجاري عرضه مي شوند. براي مثال افزايش كارايي وسايل الكترونيكي با كاهش اندازه آنها، مانند كامپيوترهاي بسيار پيشرفته و يا پيشرفت عظيم صنعت ارتباطات تنها با استفاده وسيع از نانو تكنولوژي ميسر شده است. در اين مقاله به بررسي كاربرد كنوني فناوري نانو تكنولوژي در ميان مدت و بلند مدت پرداخته ايم كه مواردي از آن به طور خلاصه نقل مي شود.
صفحات خورشيدي و كيهاني: دي اكسيد تيتانيم و اكسيد روي در اندازه هاي نانو در صفحات خورشيدي براي جذب و يا انكسار پرتوهاي ماوراي بنفش كه شفافيت لازم را براي عبور نور قابل رويت دارند، كاربرد بسياري پيدا كرده است.
تركيبات مركب: يكي از موارد مهم كاربرد نانوتكنولوژي ساخت تركيبات مركب از چند ماده مختلف است. براي مثال با استفاده از لوله، سيم و ذرات نانو محصولات چند منظوره اي توليد مي شود كه هم داراي خواص هر يك از عناصر تشكيل دهنده است و هم ساختار جديدي با كاربردهاي پيشرفته دارد. اين مواد در علوم پزشكي، در وسايل بصري، الكترونيك و مغناطيسي به كار مي روند. هم چنين كربن سياه كه اندازه آن به چند ده نانو مي رسد براي تقويت لاستيك وسايط نقليه مورد استفاده قرار مي گيرد. از يك نوع خاك رس در ابعاد نانو نيز براي ساختن سپرهاي مقاوم وسايط نقليه استفاده مي شود.
پوشش سطوح: استفاده از پوشش هايي در اندازه نانو و يا چند اتم، امكانات ويژه اي را به وجود آورده است. به تازگي شيشه هايي ساخته شده كه با دي اكسيد تيتانيم بسيار فعال پوشش داده شده است. اين شيشه ها ضد باكتري، دفع كننده آب و از بين برنده مواد شيميايي بوده و به طور خودكار خود را تميز مي كنند. كاربرد ديگر مواد نانو ساختن پوشش هاي بسيار مقاوم در مقابل خش، به صورت يك يا چند لايه بر روي لايه اصلي است. گروه بيشماري پارچه هاي قابل تنفس، ضد آب و لكه با كنترل منافذ و ناهمواري هاي سطح آن در حد اندازه هاي نانو از مواد پليمري و غيرآلي ساخته شده ا ند.
ابزار برشكاري بسيار سخت: ابزار ساخته شده از كريستال هاي تنگستن، تانتانيم و تيتانيم در اندازه هاي نانو، منجر به ساخت ابزار برش بسيار سخت تر در مقايسه با همان ماده در اندازه ذرات بزرگتر شده است. كاربرد اين ابزار در سوراخكاري، برش فلزات در ماشين تراش،
قالب سازي، سنگ بري و نظاير آن بسيار وسيع است.

كاربردهاي فناوري نانو در ميان مدت شامل موارد زير مي شود:

رنگها و محلولها:

استفاده از رنگها در اندازه نانو مي تواند قابليت هاو توانايي هاي بسيار خوبي را به رنگ بدهد. براي مثال ساختن رنگهاي سبك مي تواند وزن هواپيماها را كاهش داده و باعث صرفه جويي در سوخت آنها شود. كاهش حلال ها مورد ديگريست كه از آلودگي محيط زيست جلوگيري مي كند. محلول هاي ضد باكتري موارد استفاده بسياري در تاسيسات تصفيه آب دارد و ديگر نيازي به استفاده از ضد باكتري مانند كلر نخواهد بود. نانو تكنولوژي در مبدل هاي حرارتي با جذب امواج قرمز باعث صرفه جويي در انرژي شده و با تغييرات دما و يا محيط شيميايي اطراف آن، موجب تغيير رنگ مي شود. عمده ترين هدف از اجراي اين پژوهشها در مورد رنگها اهداف زيست محيطي است.

محيط زيست:

مطالعه و بررسي بر روي تاثيرگذاري مواد نانو بر مواد آلوده كننده خاك و آبهاي زيرزميني و خنثي كردن تاثيرات مخرب آنها، نمونه اي از پژوهشهاي ميان مدت است.
هم چنين تلاش براي ساخت موادي كه سرب و جيوه موجود در محيط زيست را به صورت غيرفعال در آورد، ادامه دارد. اگر اين تحقيقات به صورت كامل انجام شود، مي توان از آلودگي سرب هوا كه از سوخت ماشين هاي درون سوز بوجود مي آيد جلوگيري كرد.
سلولهاي سوختي: سطح سلولي سوختها از نظر مهندسي تاثير مستقيمي بر عملكرد دروني آن دارد. استفاده از هيدروژن به عنوان يك سوخت مياني ممكن است با تغييرات بنيادي هيدروكربورها در كاتاليستهاي يك راكتور به دست آيد. استفاده از علوم نانو براي شدت بخشيدن به عملكرد كاتاليزورها مي تواند به بازدهي بيشتر و توليد سوختهايي با ذرات كوچكتر كمك كند. اين عامل مي تواند در افزايش توليد انرژي برق موثر باشد و در نتيجه براي توليد هيدروژن به جاي استفاده از هيدروكربورها از مواد فراوانتر و سازگارتر با محيط زيست استفاده كرد. امروزه هيدروژن به عنوان جانشين سوخت هيدروكربورها در جهان بسيار مورد توجه قرار گرفته است.
نمايشگرها: درخواست بسياري براي توليد نمايشگرهاي بزرگ، شفاف و تخت در تلويزيون، كامپيوتر و نظاير آن وجود دارد. نانو كريستال هاي سلنيوم روي، سولفات روي و سولفور كادميم با روش ژل به صورت تنها(تبديل ژل مايع به جامد) از مواديست كه براي ساخت نور متصاعد از فسفر مورد استفاده قرار مي گيرند. همچنين استفاده از CNTs نيز در ساخت اين وسايل با درخشش فوق العاده و مصرف انرژي و تشعشعات زيانبار كمتر و طول عمر بيشتر، نسل آينده نمايشگرهاي پيشرفته را بوجود خواهد آورد.
باطري ها: توسعه وسايل الكترونيكي قابل حمل مانند تلفن هاي همراه، دستگاههاي ناوبري، كامپيوترهاي كوچك و قابل حمل، سنسورهاي كنترل از راه دور و نظاير آنها، نياز به داشتن باطري هاي سبكتر با انرژي و دوام بيشتر را دو چندان ساخته است. مواد كريستالي نانو با استفاده از روش كاربرد ژلها در صفحات جداكننده باطريها مي تواند انرژي بيشتري در مقايسه با باطريهاي متداول امروزي ذخيره كند. باطري هاي ساخته شده از نانو كريستال هاي نيكل نياز به شارژ مجدد را كاهش و ذخيره انرژي در باطريها را در حد قابل توجهي افزايش داده است.
مواد افزودني سوختها: هم اكنون تحقيقات براي افزودن ذرات نانوي اكسيد سديم به سوختهاي ديزل در دست اقدام است كه باعث بالا رفتن بازدهي، صرفه جويي اقتصادي و كاهش ميزان مصرف آنها در بلند مدت خواهد شد.

كاربردهاي بلند مدت فناوري نانو شامل موارد زير مي باشد:
مواد مغناطيسي:

ساخت ابزارهاي مغناطيسي از نانوكريستال هاي يوتريوم، ساماريوم و كوبالت خواص بسيار منحصر بفردي را با توجه به كوچك بودن ذرات كريستالها بوجود مي آورد. اين مواد در ساخت موتورها، ماشين هاي تحليلي مانند MRI و همچنين در علوم پزشكي كاربرد وسيعي دارند. ميكروپروسس ها، حافظه هاي كامپيوتر، ديسك هاي سخت، با استفاده از فناوري نانو مي تواند اطلاعات بسيار زيادي را در خود جاي دهند.
وسايل پزشكي: به طور معمول اعضا قابل كاشت در بدن، مانند دريچه هاي قلب، ساخت اندام هاي مورد نياز در ترميم هاي ارتوپدي ساخته شده از تيتانيوم و فولادهاي ضد زنگ با ساير اعضاي بدن سازگاري دارند ولي متاسفانه ممكن است در طول عمر بيماران دچار خوردگي شده و كارآيي خود را از دست بدهند.
استفاده از نانو كريستالهاي اكسيد زير كانيوم،‌به عنوان يك عنصر بسيار سخت، غيرخورنده و مقاوم در مقابل واكنشهاي بدن و سازگاري با آن جايگزين بسيار خوبي براي روش هاي متداول است. نانو كريستالهاي »سيليكون كربيد« به علت وزن كم، مقاومت بسيار عالي و سازگاري با اعضاي بدن براي ساخت دريچه هاي مصنوعي قلب در آينده بكار خواهد رفت. ساخت رباط هايي با كاربردهاي بسيار متفاوت در بدن در اندازه هاي كوچك بخش مهمي از كاربردهاي وسيع اينگونه مواد را شامل مي شود.
سراميك هاي ماشين آلات: سراميك ها بسيار سخت، شكننده و غيرقابل ماشينكاري بوده و كوچك شدن ذرات آنها در حد نانو كريستالها باعث شكنندگي بيشتر آن مي شوند. امروزه نانوكريستالهاي نيترات و يا »كربيد سيليكون« در ساخت قطعات ماشين‌ آلات مختلف مانند فنرهاي بسيار مقاوم، بلبرينگها، سوپاپ هاي موتور، اجزاي كوره ها و نظاير آن به علت آنكه به آساني قابل ساخت بوده و مقاوم در مقابل حرارت و واكنش هاي شيميايي مقاوم هستند كاربرد وسيعي دارند. در صورتيكه اين مواد توسط پرس فشرده شوند،‌مقاومت حرارتي بسيار زيادي را در مقايسه با ساير سراميك ها به دست مي آورند.

تصفيه آب:

فناوري نانو باعث صرفه جويي در مصرف انرژي براي تصفيه آب در سيستمهاي تقطير مي شود. همچنين اين فناوري منجر به بالا بردن تكنولوژي مورد استفاده كنوني خواهد شد.

لباس هاي جنگي:

به تازگي استفاده از فناوري نانو براي ساخت لباس هاي ويژه ميدان هاي جنگ توسط گروه تحقيقات دانشگاه MIT انجام شده است. هم اكنون برنامه اي براي ساخت موادي كه بتواند در كوتاه مدت جاذب انرژي شوكهاي امواج انفجاري و موادي كه در بلند مدت بتواند در برابر مواد شيميايي و بيولوژيكي از خود مقاومت نشان دهند بصورتي كه در مقابل اين مواد حساس بوده و پس از شناسايي مواد روزنه هاي لباس مسدود شوند در حال بررسي است. گونه اي ديگر از اين مواد براي كشف آسيب هاي وارده به بدن به صورت خودكار عمل خواهد كرد. براي مثال به كمك اين مواد شكستگي استخوانها را بسرعت شناخته و گچ گيري متداول امروزه را انجام مي دهند.

پژوهش و ترجمه: مهندس سعيد صالحي
منبع:http://naftepars.ir/official/2961/view.asp?ID=279974