کاربرد های نانوتکنولوژی |مقالات|
ساختار و مفاهیم كلی نانو تكنولوژی
یكی از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یك میلیاردم واحد آن مقیاس است.برای مثال یك نانومتر معادل یك میلیاردم متر است. با توجه به اینكه یك سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به كوچكی این مقیاس پی برد. از آنجایی كه علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی، فیزیك، بیولوژی، پزشكی، مهندسی و الكترونیك را در بر می گیرد،گروه بندی آن بسیار پیچیده است.
یكی از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یك میلیاردم واحد آن مقیاس است.برای مثال یك نانومتر معادل یك میلیاردم متر است. با توجه به اینكه یك سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به كوچكی این مقیاس پی برد. از آنجایی كه علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی، فیزیك، بیولوژی، پزشكی، مهندسی و الكترونیك را در بر می گیرد،گروه بندی آن بسیار پیچیده است. دانشمندان، علوم نانو را به چهار گروه شامل مواد (گروه اول)، مقیاسها (گروه دوم)، تكنولوژی الكترونیك، اپتوالكترونیك، اطلاعات و ارتباطات (گروه سوم) و بیولوژی و پزشكی (گروه چهارم) طبقه بندی كرده اند. این طبقه بندی باعث سهولت در بررسی این علوم شده است البته تداخل برخی از بخش ها در یكدیگر طبیعی است. برنامه های توسعه این تكنولوژی به سه بخش كوتاه مدت (كمتر از پنج سال)، میان مدت( بین۱۵-۵ سال) و بلند مدت (بیش از۲۰ سال) تقسیم بندی شده است. مواد نانو (nanomaterials) قابلیت كنترل ساختار تشكیل دهنده مواد پیشرفته (از فولادهای ساخته شده در اوایل قرن۱۹ تا انواع بسیار پیشرفته امروزی) در ابعاد كوچك و كوچكتر، در اندازه های میكرو و نانو بوده است. هر قدر بتوانیم این مواد را در ابعاد ریزتر و كنترل شده ای تولید كنیم خواهیم توانست مواد جدیدی را با قابلیت و عملكردهای بسیار عالی به دست آوریم. تاكنون تعاریف متعددی از مواد نانو ارائه شده است اما در یك تعریف جامع می توان گفت موادی در این گروه قرار می گیرند كه یكی از ابعاد اضلاع آنها از۱۰۰ نانومتر كوچكتر باشد. یكی از این گروهها »لایه ها« است. لایه ها یك بعدی هستند كه در دو بُعد دیگر توسعه می یابند مانند فیلم های نازك و پوششها. برخی از قطعات كامپیوتر جزو این گروه هستند. گروه بعدی شامل موادی است كه دارای دو بعد هستند و در یك بعد دیگر گسترش می یابند و شامل لوله ها و سیمها می شوند. گروه مواد سه بعدی در نانو شامل ذرات، نقطه های كوانتمی (ذرات كوچك مواد نیمه هادیها) و نظایر آنها می شوند. دو ویژگی مهم، مواد نانو را از دیگر گروهها متمایز می سازد كه عبارتند از افزایش سطح مواد و تاثیرات كوانتمی. این عوامل می توانند باعث ایجاد تغییرات و یا به وجود آمدن خواص ویژه ای مانند تاثیر در واكنشها، مقاومت مكانیكی و مشخصه های ویژه الكتریكی در مواد نانو شوند. همانگونه كه اندازه این مواد كاهش می یابد، تعداد بیشتری از اتمها در سطح قرار خواهند گرفت. برای مثال، اتم های موادی به اندازه۳۰ نانومتر به میزان۵ درصد،۱۰ نانومتر به میزان۲۰ درصد و۳ نانومتر به میزان۵۰ درصد در سطح قرار دارند. در نتیجه مواد نانو با ذرات كوچكتر در مقایسه با مواد نانو با ذرات بزرگتر دارای سطح بیشتری در واحد جرم هستند. با توجه به ازدیاد سطح در این مواد، تماس ماده با سایر عناصر بیشتر شده و موجب افزایش واكنش با آنها می شود. این عمل منجر به تغییرات عمده در شرایط مكانیكی و الكترونیكی این مواد خواهد شد. برای مثال سطوح بین ذرات كریستالها در بیشتر فلزات باعث تحمل فشارهای مكانیكی بر آن می شود. اگر این فلزات در مقیاس نانو ساخته شوند، با توجه به ازدیاد سطح بین كریستالها، مقاومت مكانیكی آن به شدت افزایش می یابد. برای مثال فلز نیكل در مقیاس نانو مقاومتی بیشتر از فولاد سخت شده دارد. به موازات تاثیرات ازدیاد سطح، اثرات كوانتمی با كاهش اندازه مواد (به مقیاس نانو) موجب تغییر در خواص این مواد می شود (تغییر در خواص بصری، الكتریكی و جاذبه). موادی كه تحت تاثیر این تغییرات قرار می گیرند ذرات كوانتمی، لیزرهای كوانتمی برای الكترونیك بصری هستند. همانگونه كه بیش از این گفته شد مواد نانو، به سه گروه یك، دو و سه بُعدی طبقه بندی شده اند. مواد نانوی یك بعدی: این مواد شامل فیلم های بسیار نازك و سطوح مهندسی است و در ساخت ابزار الكتریكی و شیمیایی و مدارهای الكترونیكی ساده و مركب كاربرد وسیعی دارند. امروزه كنترل ضخامت لایه ها تا اندازه یك اتم صورت می پذیرد و ساختار این لایه ها حتی در مواد پیچیده ای مانند روانكارها شناخته شده است. لایه های مونو كه قطر آنها به اندازه یك ملكول و یا یك اتم است، در علوم شیمی كاربرد وسیعی دارند. یكی از كاربردهای این لایه ها ساخت سطوحی است كه خود را بازسازی كنند. مواد نانوی دوبعدی: به تازگی كاربرد مواد نانوی دو بعدی در تولید سیم و لوله ها افزایش یافته و توجه دانشمندان را به دلیل وجود خواص ویژه مكانیكی و الكترونیكی به خود جلب كرده است. در زیر به چند نمونه ساخته شده در این گروه اشاره می شود. نانو لوله های كربنی، CNTs : از رول كردن ورقهای گرافیتی یك یا چند لایه ساخته شده و قطر آنها چند نانو و طولشان چند میكرومتر است.ساختار مكانیكی این مواد مانند الماس بسیار سخت است اما در محورهای خود نرم و تاشو هستند.همچنین این مواد هادی الكتریكی بسیار عالی هستند. نوع غیر عالی نانو لوله های كربنی مانند مولیبید یوم دی سولفاید پس از CNTs ساخته شده است. این مواد دارای ویژگی های منحصر به فردی همچون روانكاری، مقاومت در برابر ضربات امواج شوكها، واكنشهای كاتالیزی و ظرفیت بالا در ذخیره هیدروژن و لیتیم هستند. لوله های مواد پایه اكسیدی مانند اكسید تیتانیم، برای كاربردهای كاتالیزی، كاتالیزرهای نوری و ذخیره انرژی به صورت تجاری به بازار عرضه شده اند. نانو سیمها: این سیمها از قرار گرفتن ذرات بسیار ریز از مواد مختلف به صورت خطی ساخته می شوند. نانوسیمهای نیمه هادی از سیلیكون، نیترات گالیم و فسفات ایندیوم ساخته شده و دارای قابلیتهای بسیار خوب نوری، الكتریكی و مغناطیسی است و نوع سیلیكونی این سیمها می تواند بخوبی در یك شعاع بسیار كوچك بدون آسیب رسانی به ساختار سیم خم شود. این سیمها برای ثبت مغناطیسی اطلاعات در حافظه كامپیوترها، وسایل نانوالكترونیكی و نوری و اتصال مكانیكی ذرات كوانتمی به كار می روند. بیوپلیمرها: انواع گوناگون بیوپلیمرها، مانند ملكولهای DNA ، در خودسازی نانوسیمها در تولید مواد بسیار پیچیده به كار می روند. همچنین این مواد دارای قابلیت اتصال نانو و بیوتكنولوژی برای ساخت سنسور و موتورهای كوچك هستند. مواد نانوی سه بعدی: این مواد به آن گروه تعلق دارد كه قطری كمتر از۱۰۰ نانومتر داشته باشند. مواد نانوی سه بعدی در اندازه های بزرگتر ساختار متفاوتی داشته و طیف وسیعی از مواد را در جهان تشكیل می دهند و صدها سال است كه به صورت طبیعی در زمین یافت می شوند. مواد تولید شده از عوامل فتوشیمیایی، فعالیت های آتش فشانها، مواد محترق از پختن غذا، مواد متصاعد از احتراق سوخت ماشین ها و مواد آلاینده تولید شده در صنایع جزو این گروه از مواد هستند. این مواد به علت رفتار متفاوت در واكنش های شیمیایی و بصری بسیار مورد توجه قرار دارند. برای مثال اكسید تیتانیوم و روی كه بصورت شفاف و فرانما، جاذب و منعكس كننده نور ماورای بنفش در صفحات خورشیدی به كار می روند در ابعاد نانو هستند. این مواد كاربردهای بسیار ویژه ای در ساخت رنگها و داروها (به ویژه داروهایی كه تجویز آنها فقط برای یك عضو مشخص بدن و بدون تاثیر بر سایر اعضاست) دارند. مواد نانوی سه بُعدی شامل مواد بسیاری می شود كه به چند نمونه از آنها اشاره می كنیم. كربن۶۰ (فوله رنس Fullerenes) : در اوایل سال۱۹۸۰ گروه جدیدی از تركیبات كربنی بنام كربن۶۰، ساخته شد. كربن۶۰ ، كروی شكل، به قطر۱ نانومتر و شامل۶۰ اتم كربن است كه به علت شباهت ساختار مولكولی آن با گنبدهای كروی ساخته شده توسط مهندس معماری بنام بوخ مینستر فولر بنام »فوله رنس« نامگذاری شد. در سال۱۹۹۰ ، روش های ساخت كوانتم های كربن۶۰ با مقاومت حرارتی میله های گرافیتی در محیط هلیم بدست آمد. این ماده در ساخت بلبرینگ های مینیاتوری و مدارهای الكترونیكی كاربرد وسیعی دارند. دِن دریمرز (Dendrimers) : دن دریمرز از یك ملكول پلیمر كروی تشكیل شده و با یك روش سلسله مراتبی خود سازی تولید می شوند. انواع گوناگونی از این مواد به اندازه های چند نانومتر وجود دارند. دن دریمرز در ساخت پوششها، جوهر و حمل دارو به بدن كاربرد فراوانی دارند. همچنین در تصفیه خانه ها به منظور بدام انداختن یونهای فلزات كه می توان به وسیله فیلترهای مخصوص از آب جدا شوند از این مواد استفاده می شود. ذرات كوانتمی: مطالعات در مورد ذرات كوانتمی در سال۱۹۷۰ شروع شد و در سال۱۹۸۰ این گروه از مواد نانوی نیمه هادی ساخته شدند. اگر ذرات این نیمه هادی ها به اندازه كافی كوچك شوند، تاثیرات كوانتمی ظاهر شده و می توانند میزان انرژی الكترونها و حفره ها را كاهش دهند. از آنجایی كه انرژی با طول موج ارتباط مستقیم دارد در نتیجه خواص نوری مواد بصورت بسیار حساس قابل تنظیم خواهد شد و می توان با كنترل ذرات، جذب یا دفع طول موج خاص در یك ماده را امكان پذیر ساخت. به تازگی با ردگیری مولكولهای بیولوژی با كنترل سطح انرژی این ماده، كاربردهای جدیدی از آن كشف شده است. در حال حاضر استفاده از مواد نانو رو به افزایش است و به علت خواص بسیار ویژه آنها، تحقیقات در یافتن مواد جدید همچون گذشته ادامه دارد.
كاربردهاي نانوتكنولوژي در كشاورزي و علوم دامي
خلاصه:نانوتكنولوژي به عنوان يك فناوري قدرتمند، توانايي ايجاد تحول در سيستم كشاورزي و صنايع غذايي آمريكا و سر تاسر دنيا را دارد. نمونه هايي از كاربردها و پتانسيلهاي بالقوه نانوتكنولوژي در كشاورزي و صنايع غذايي، شامل سيستم هاي جديد آزاد كننده دارو براي درمان بيماريها، ابزارهاي جديد بيولوژي سلولي و مولكولي، امنيت زيستي و تضمين سلامتي محصولات كشاورزي و غذايي و توليد مواد جديد مورد استفاده براي شناسايي عوامل بيماريزا و حمايت از محيط زيست مي باشد. تحقيقات اخير، امكان استفاده از نانوشلها و نانوتيوپها را در سيستمهاي جانوري براي تخريب سلولهاي هدف، به روشني ثابت نموده است. امروزه از نانوپارتيكل ها كه اجرام بسيار كوچكتر از حد ميكرون هستند، براي رها سازي داروها و يا ژنها به داخل سلولها استفاده مي كنند و مورد انتظار است كه اين تكنولوژيها در 10 الي 15 سال آتي مورد بهره برداري كامل قرار گيرد. با روند رو به رشد تحقيقات اخير، اين پيش بيني منطقي است كه در دهه آينده، صنعت نانوتكنولوژي با توسعه بي نظير خود، منجر به ايجاد انقلاب عظيم در بخش پزشكي و بهداشت و همچنين توليدات دارويي دام و آبزيان گردد.كلمات كليدي: سيستمهاي آزاد كننده دارو، نانوپارتيكل، نانوتكنولوژي، شناسايي اجرام بيماري زا
مقدمه:نانوتكنولوژي به عنوان يك فناوري قدرتمند نوين، توانايي ايجاد انقلاب و تحولات عظيم را در سيستم تامين مواد غذايي و كشاورزي ايالت متحده آمريكا و در گستره جهاني دارد. نانوتكنولوژي قادر است كه ابزارهاي جديدي را براي استفاده در بيولوژي مولكولي و سلولي و همچنين توليد مواد جديدي، براي شناسايي اجرام بيماري زا معرفي نمايد و بنابراين چندين ديدگاه مختلف در نانوتكنولوژي وجود دارد كه مي تواند در علوم كشاورزي و صنايع غذايي، كاربرد داشته باشد. به عنوان مثال امنيت زيستي توليدات كشاورزي و مواد غذايي، سيستمهاي آزاد كننده دارو بر عليه بيماريهاي شايع، حفظ سلامتي و حمايت از محيط زيست از جمله كاربردهاي اين علم مي باشد.علم نانوتكنولوژي چيست؟ انجمن ملي نوبنياد نانوتكنولوژي كه يك نهاد دولتي در كشور امريكا مي باشد ، واژه نانوتكنولوژي را چنين توصيف مي كند: "تحقيق و توسعه هدفمند، براي درك و دستكاري و اندازه گيريها مورد نياز در سطح موادي با ابعاد در حد اتم"، مولكول و سوپرمولكولها را نانوتكنولوژي مي گويند. اين مفهوم با واحدهايي از يك تا صد نانومتر، همبستگي دارد. دراين مقياس خصوصيات فيزيكي، بيولوژيكي و شيميايي مواد تفاوت اساسي با يكديگر دارند و غالبا اعمال غير قابل انتظار از آنها مشاهده مي شود. در سيستم كشاورزي امروزي، اگردامي مبتلا به يك بيماري خاص شود، مي توان چند روز و حتي چند هفته يا چند ماه قبل علائم نامحسوس بيماري را شناسايي كنند و قبل از انتشار و مرگ و مير كل گله، دامدار را براي اخذ تصميمات مديريتي و پيشگيري كننده آگاه كند و بنابراين مي توان نسبت به مقابله با آن بيماري اقدام نمايد. نانوتكنولوژي به موضوعاتي در مقياس هم اندازه با ويروسها و ساير عوامل بيماري زا مي پردازد و بنابراين پتانسيل بالايي را براي شناسايي و ريشه كني عوامل بيماري زا دارد. نانوتكنولوژي امكان استفاده از سيستمهاي آزاد كننده داروئي را كه بتواند به طور طولاني مدت فعال باقي بماند، فراهم مي كند. به عنوان مثال استفاده از سيستمهاي آزاد كننده دارو، مي توان به ايمپلنتهاي ابداع شده مينياتوري در حيوان اشاره كرد كه نمونه هاي بزاقي را به طور مستمر كنترل مي كنند و قبل از بروز علائم باليني و تب، از طريق سيستمهاي هشدار دهنده وسنسورهاي ويژه، مي تواند احتمال وقوع بيماري را مشخص و سيستم خاص ازاد كننده دارو معيني را براي درمان موثر توصيه كنند. طراحي سيستمهاي آزاد كننده مواد دارويي، يك آرزوي و روياي هميشگي محققان براي سيستمهاي رها كننده داروها، مواد مغذي و پروبيوتيكها بوده و مي باشد. نانوتكنولوژي به عنوان يك فناوري قدرتمند به ما اجازه مي دهد كه نگرشي در سطح مولكولي و اتمي داشته و قادر باشيم كه ساختارهايي در ابعاد نانومتر را بيافرينيم. براي تعيين و شناسايي بسيار جزئي آلودگيهاي شيميايي، ويروسي يا باكتريايي در كشاورزي و صنايع غذايي معمولا از روشهاي بيولوژيكي، فيزيكي و شيميايي استفاده مي گيرد. در روشهاي اخير نانوتكنولوژي براي استفاده توام اين روشها، يك سنسور در مقياس نانو طراحي كرده اند در اين سيستم جديد، مواد حاصل از متابوليسم و رشد باكتريها با اين سنسورها تعيين مي گردد. سطوح انتخابي بيولوژيكي، محيطي هايي هستند كه عمده واكنشهاي و فعل و انفعالات بيولوژيكي و شيميايي در آن محيط انجام مي شود. چنين سطوحي همچنين توانايي افزايش يا كاهش قدرت اتصال ارگانيزمها و ملكولهاي ويژه را دارد. از جنبه هاي كاريردي استفاده از اين سطوح، طراحي سنسورها، كاتاليستها، و توانايي جداسازي يا خالص سازي مخلوطهاي بيومولكولها مي باشد. نانومولكولها موادي هستند كه اخيرا از طريق نانوتكنولوژي به دست آمده اند و يا در طبيعت موجودند و بوسيله اين ساختارها، امكان دستكاريهاي درسطح نانو و تنظيم و كاتاليز واكنشهاي شيميايي وجود دارد. نانو مواد از اجزاي با سايز بسيار ريز تشكيل شده اند و اجزا تشكيل دهنده چنين ساختارهايي بر خواص مواد حاصل در سطح ماكرو تاثير مي گذارد. ساختارهاي كروي توخالي (buckey balls ) كه با نام ديگر فلورن هم شناخته شده اند، مجموعه از اتمهاي كربن متحدالشكل به صورت كروي هستند كه در چنين ساختاري هر اتم كربن به سه اتم كربن مجاورش متصل شده. دانشمندان اكنون به خوبي مي دانند كه چگونه يك چنين ساختاري را به وجود آورند و كاربردهاي بيولوژيكي آن امروزه كاملا شناخته شده است. از جمله كاربردهاي چنين ساختارهايي براي رها سازي دارو يا مواد راديواكتيو در محلهاي مبتلا به عوامل بيماريزا مي باشد. ايده استفاده از60 اتم كربن به جاي 80 اتم، ساختارهاي توخالي را براي آزاد سازي دارو فراهم مي كند. هدف از اين كار در نهايت رسيدن به گروهاي قابل انحلال پپتيدها در آب مي باشد كه نتيجتا اين مولكولها به جريان خون راه پيدا مي كنند. نانوتيوپها ساختارهاي توخالي ديگري هستند كه از دو طرف باز شده اند و گروههاي اتمي ديگري به آنها اضافه شده اند و يك ساختار شش گوشه را تشكيل مي دهند. نانوتيوپها مي توانند به عنوان يك ورقه گرافيت در نظر گرفته شوند كه به دور يك لوله پيچيده شده اند.كاربرد پلي مرهاي سنتزي در داروسازي پيشرفتهاي چشمگيري داشته است. سبكي، نداشتن آثار جانبي و امكان شكل دهي پلي مرها، كاربرد آنها را در زمينه پزشكي و دامپزشكي افزايش داده است. در روشهاي دارورساني مدرن، فرآورده شكل دارويي موثر خود را با يك روند مشخص شده قبلي براي مدت زمان معلوم بطور سيستماتيك به عضو هدف آزاد مي كند. پليمرها نه تنها به عنوان منابع ذخيره دارو و غشا و ماتريكس هاي نگهدارنده عمل مي كنند بلكه مي توانند سرعت انحلال آزاد سازي و تعادل دفع و جذب آزاد را در بدن كنترل كنند.دندريمر(پلي مر) يك طبقه جديد از مولكولهاي سه بعدي مصنوعي هستند كه از مسير و راه نانوسنتزي به دست آمده اند كه اين دندريمرها از تواليها و شاخه اي تكراري حاصل آمده اند. ساختار چنين تركبيباتي از يك درجه بالاي تقارن برخوردار است.نقاط كوانتومي، كريستالهايي در مقياس نانومتري هستند كه اساسا در اواسط 1980 براي كاربردهاي اپتوالكترونيك به كاربرده شدند. آنها در طي سنتز شيميايي در مقياس نانو ايجاد مي شوند و از صدها يا هزاران اتم در نهايت يك ماده نيمه هادي معدني تشكيل شده اند كه اين ماده به اتمها خاصيت فلورنس مي دهد. وقتي يك نقطه كوانتومي با يك پرتو نور برانگيخته مي شود آنها دوباره نور را منتشر مي كنند. ميزان يك طيف نشري متقارن باريك مستقيم به اندازه كريستال بستگي دارد. اين بدان معني است كه اجرام كوانتومي مي توانند به خوبي براي انتشار نور در طول موجهاي مختلف طراحي شوند. نانوشلها يك نوع جديد از نانوذرات كه از هسته دي الكتريك مانند سيليكا تشكيل شده اند كه با يك لايه فلزي فوق العاده نازك(به عنوان مثال طلا) پوشش داده شده اند. نانوشلهاي طلا، داراي خواص فيزيكي مشابه به آنهايي هستند كه از كلوئيدها طلا ساخته شده اند. پاسخهاي نوري نانوشلهاي طلا به طور قابل توجهي به اندازه نسبي هسته نانوذرات و ضخامت لايه طلا بستگي دارد. دانشمندان قادرند نانوشلهايي را بسازند كه ملكولهاي آنتي ژنها بر روي آنها سوار شوند و در مجموع سلولهاي سرطاني و تومورهاي موجود را تحت تاثير قرار دهند. اين ويژگي مخصوصا در رابط با نانوشلها مي باشد كه اين ساختارها قادرند فقط تومورهاي موجود را تحت تاثير قرار دهند و سلولهاي مجاور تومور دست نخورده باقي مي ماند. از طريق حرارتي كه به طور انتخابي در سلولهاي توموري ايجاد مي كند منجر به از بين بردن اين سلولها مي شود.
كاربردهاي نانوتكنولوژي در علوم دامي
سلامتي دامهاي اهلي از جمله مسائلي است كه با اقتصاد دامداريها در ارتباط مي باشد. يك دامپزشك مي نويسد كه "علم نانوتكنولوژي توانايي و پتانسيل بالقوه اي بر روي رهيافتهاي آتي دامپزشكي و درمان دامهاي اهلي خواهد داشت". تامين اقلام غذايي براي دامهاي اهلي همواره با افزايش هزينه و نياز به مراقبتهاي خاص دامپزشكي و تجويز دارو و واكسن همراه بوده است و نانوتكنولوژي توانايي ارائه راهكارهاي مناسب براي حل اين معضلات را دارد.
سيستمهاي سنتيتيك آزاد كننده مواد داروئيامروزه مصرف آنتي بيوتيكها، واكسنها، پروبيوتيكها و عمده داروها از طريق وارد كردن آنها از راه غذا يا آب دامها و يا از راه تزريق عضلاني صورت مي گيرد. رها سازي يك مرحله اي دارو در برابر يك ميكروارگانيزم علارغم تاثيرات درماني و اثرات بازدارنده پيشرفت يك بيماري معمولا با بازگشت مجدد علائم بيماري وتخفيف اثرات دارويي مصرفي همراه است. روشهاي موجود در سطح نانو، قابليت تشخيص و درمان عفونت،اختلالات تغذيه اي و متابوليكي را دارا مي باشد. سيستمهاي سنتتيك رها سازي دارو مي تواند خواص چند جانبه براي حذف موانع بيولوژيكي در افزايش بازده درماني داروي مورد استفاده و رسيدن آن به بافت هدف داشته باشد كه از جمله اين خواص مي توان به موارد ذيل اشاره كرد.1- تنظيم زماني مناسب براي آزاد سازي دارو 2- قابليت خود تنظيمي3- توانايي برنامه ريزي قبليبنابراين در آينده نزديك پيشرفتهاي بيشتر تكنولوژي امكانات زير را فراهم مي كند:1- توسعه سيستمهاي سنتيتيك رها سازي داروها،پروبيوتيكها، مواد مغذي2- افزايش سرعت شناسايي علائم بيماري و كاربرد روشهاي درماني سريع3- توسعه سيستمهاي رها سازي اسيدهاي نوكلئيك و مولكولهاي DNA4- كاربرد نانومولكولها در توليد واكسنهاي داميتشخيص بيماري و درمان دامهاتصور امكان تزريق نانوپارتيكها به دامها و فعال شدن تدريجي ماده موثر همراه با اين نانوذرات در بدن حيوان براي از بين بردن و تخريب سلولهاي سرطاني، افق تحقيقاتي جديدي را به روي محققان بازكرده است. محققان دانشگاه رايس مراحل مقدماتي كاربرد نانوشلها را براي تزريق به جريان خون ارزيابي كردند. اين ذرات نانو به گيرنده هاي غشاسلولهاي سرطاني متصل مي شوند و با ايجاد امواج مادون قرمز باعث بالا رفتن دماي سلولهاي مذكور به 55 درجه و تركيدن و از بين رفتن تومورهاي موجود مي گردند. همچنين نانوپارتيكهايي كه از اكسيدهاي آهن ساخته مي شوند، با ايجاد امواج مگنتيك در محل استقرار سلولهاي سرطاني باعث از بين بردن اين سلولها مي شوند. يكي از اساسي ترين محورهاي تحقيقاتي كنوني، توسعه سيستمهاي رها سازي DNA غيرزنده، با بازدهي مناسب و با حداقل هزينه و عوارض جانبي و سمي مي باشد، كه در ژن درماني مورد استفاده قرار مي گيرند. اصلاح نژاد داممديريت تلاقي و زمان مناسب جفتگيري دامها، از جمله مواردي است كه در مزارع پرورش گاوشيرده به هزينه و زمان طولاني نياز دارد. از راهكارهايي كه اخير مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از نانوتيوپها خاص در داخل پوست مي باشد كه زمان واقعي پيك هورمون استروژن و وقوع فحلي را دار دامها نشان مي دهد و لذا با علائمي كه سنسورهاي موجود به دستگاه مونيتور مي فرستد، زمان دقيق و واقعي تلقيح را به دامدار نشان مي دهد.
منبع: پارس بيولوژي
رفع چسبندگي سيستمهاي جداسازي با کليد‌هاي مولکولي
ابزارهاي ميکروسيالاتي با عبور دادن مولکول‌ها از ميان مجراهاي نانومقياسي که روي يک بستر پليمري حک شده‌اند، مولکول‌ها را شناسايي و از هم جدا مي‌کنند. ولي مواد زيستي به اين کانال‌ها چسبيده و آنها را مسدود مي‌نمايند، بدين ترتيب کارآيي سيستم پايين مي‌آيد.محققان موسسه پلي‌تکنيک Rensselaer (RPI) براي حل اين مشکل ماده‌اي يافته‌اند: ماده‌اي که با تابش نور از حالت لغزنده به حالت چسبنده تبديل مي‌شود.اين ماده يک نوع پليمر مي‌باشد و زماني که در معرض نور ماوراي بنفش قرار مي‌گيرد، به يک ماده لغزنده‌تر از تفلون تبديل شده و باعث مي‌شود موادي که بر روي آن چسبيده‌اند، جدا شوند. اين خاصيت موجب مي‌گردد که حتي کانال‌هاي ميکروسيالاتي که کاملاً مسدود مي‌باشند، پاک شوند.محققان پيش‌بيني مي‌کنند اين پليمر براي جداسازي پروتئين‌ها از سيستمهاي زيستي که معمولاً موجب گرفتگي حفرات فيلترهاي معمولي مي‌گردند، مفيد خواهند بود. غشاهاي پليمري به طور وسيعي براي جداسازي زيستي و همچنين در ابزارهاي ميکروسيالاتي به کار مي‌روند، اما مسدود شدن حفرات آنها موجب کوتاهي عمر آنها مي‌گردد. پروفسور Georges Belfort استاد RPI با بررسي پليمرهايي که ويژگي‌هاي سطحي آنها تغيير مي‌کنند، دريافت، اين تغييرات موجب مي‌شود بدون استفاده از حلال‌هاي قوي، و يا بدون آنکه نياز به جايگزيني کل سيستم باشد، ميتوان آنها را تميز کرد.اين ماده جديد مبتني بر پلي اتر سولفون مي‌باشد و سطح آن با يک ماده قابل تغيير با نور به نام اسپيروپيران اشباع شده است. اسپيروپيران يک کليد مولکولي است که وقتي در معرض تابش نور ماوراي بنفش قرار مي‌گيرد، از حالت کاملاً غيرفعال و بدون بار، به حالت کاملاً فعال و بسيار قطبي تبديل مي‌شود.مطابق گفته محققان، زماني که اين مولکول به حالت قطبي درمي‌آيد، ميتوان مواد چسبيده را با استفاده از آب به راحتي شست. تابش ماوراي بنفش دوم، آن را به حالت اوليه غيرقطبي برمي‌گرداند.اين مؤسسه اختراعي در زمينه نحوه اشباع نمودن PES با اسپيروپيران ثبت کرده است.محققان پيش‌بيني مي‌کنند، علاوه بر استفاده از اين ماده در سيستمهاي «آزمايشگاه بر روي تراشه»، ميتوان از آن براي غشاهاي جداسازي مواد زيستي و رهايش زمان‌بندي شده دارو بهره برد. در سيستمهاي ميکروسيالاتي ميتوان با استفاده از اين ماده دريچه‌هايي ساخت که از طريق ايجاد چسبندگي سلولها به مجراي اين دريچه و يا نچسبيدن آنها، عبور سلولهاي منفرد را کنترل نمود.
توليد سطوح ابرآبگريز با استفاده از نانوتمشک‌ها
محققان دانشگاه فناوري آيندهوون در هلند با تقليد از برگ گياه نيـلوفر آبي، ساختارهـايي با برجستگي‌هاي داراي دو انـدازة (Dual-sized) متفاوت توليد نموده‌اند که سطوح آبگريز بسيار قوي را ايجاد نمايند. اين روکش از ذرات تمشک مانند سيليکا که بر روي يک فيلم پليمري اپوکسي نشانده شده‌اند، تشكيل شده است.Weihua Ming يکي از اين محققان مي‌گويد: ”طبيعت بزرگ‌ترين معلم انسان است. به عنوان مثال، برجستگي‌هاي دواندازه‌اي سطح برگ نيلوفر آبي، يک ابرآبگريز خوب مي‌باشد. در عين حال، ميوة تمشک به طور طبيعي داراي شکل‌بندي دواندازه‌اي مي‌باشد. ما به سادگي اين دو ويژگي را از اين دو محصول اتخاذ نموده و فيلم‌هاي ابرآبگريز خود را توليد نموديم“. اين محققان معتقدند که ساخت فيلم‌هاي آنها ساده‌تر و ارزان‌تر از سيستمهاي ابرآبگريز ديگر بوده و استحکام آنها نيز بيشتر مي‌باشد، در نتيجه اين فيلم‌ها براي بسياري از کاربردها مناسب مي‌باشند.Ming مي‌گويد: ”ما روشي ساده براي توليد ساختارهاي ميکرو و نانو به صورت کنترل شده گزارش نموده‌ايم. استفاده از مواد معمولي و شيمي ساده، بسياري از کاربردها را براي اين روش امکان‌پذير ساخته است.“Ming و همکارانش براي ساخت اين روکش، از طريق متصل نمودن ذرات سيليکاي داراي گروه عاملي آمين به قطر 70 نانومتر، به سطح ذرات سيليکاي داراي گروه عاملي اپوکسي با قطر 700 نانومتر، ذرات سيليکاي شبيه تمشک را توليد كرده‌اند. اين تيم از طريق ايجاد واکنش بين گروه آميني و گروه اپوکسي و ايجاد پيوند کووالانسي، اين نانوذرات را به هم متصل كرده‌اند به اين ترتيب كه هر ذره بزرگتر به چندين ذره کوچک‌تر متصل مي‌شود.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
θe: زاویه تماس در حالت ایستا؛ θa: زاويه تماس پيشروي؛ θr : زاويه تماس پسروي
سپس اين محققان اين تمشک‌ها را به فيلم پليمري داراي پيوندهاي عرضي، که از يک سيستم آمين-اپوکسي تشکيل شده بود، پيوند دادند. پيوندهاي آميني معلق در سطح تمشک‌ها به گروههاي اپوکسي پليمر متصل شدند. آنان در نهايت براي ايجاد آبگريزي، سطح فيلم را با لايه‌اي از پلي(دي‌متيل سيلوکسان) (PDMS) پوشانده‌اند.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
تصاوير AFM حاصل از فيلم‌هاي ابرآبگريز شامل ذرات مبتني بر سيليکا
زاوية تماس پيشروي (Advancing Contact Angle) (ACA) فيلم‌هاي ابرآبگريز توليد شده با آب، 165 درجه، و زاوية غلطش براي يک قطره 10 ميکروليتري از آب، حدود 3 درجه بود. بدون حضور PDMS، زاويه تماس پيشروي براي آب 22 درجه، يعني کمتر از مقدار اين زاويه براي سطح اپوکسي صاف (66 درجه) بود. اين امر نشان مي‌دهد که براي داشتن يک سطح ابرآبگريز هم به يک ساختار دواندازه‌اي و هم به يک لاية آبگريز (PDMS) نياز مي‌باشد. زاوية تماس پيشروي براي يک سطح صاف اپوکسي که با PDMS تغيير يافته باشد، 107 درجه مي‌باشد.Ming مي‌گويد: ”از آنجايي که امکان کنترل سادة اندازة ذرات تمشک مانند وجود دارد، مايليم تا بررسي‌هاي بيشتري بر روي رابطة مابين بافت سطح و ويژگي‌هاي ترشدن انجام دهيم. ما همچنين مطالعاتي در زمينة امکان توليد فيلم‌هاي ابرچربي‌گريز با اين روش انجام خواهيم داد.“اين محققان نتايج کار خود را در مجلة NanoLetters به چاپ رسانده‌اند.
استفاده از نانوتكنولوژي در فراوري مواد معدني
مقدمه
امروزه فناوري نانو به عنوان يك چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان است. در سال هاي اخير مشخصات سايز محصولات براي مواد پيشرفته به شكل بسيار چشمگيري ريز شده است كه در بعضي اوقات به محدوده نانو سايز مي رسد لذا استفاده از نانوتكنولوژي در رسيدن به اين هدف بسيار مفيد و كارا خواهد بود. در نانوتكنولوژي شما قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهيد بود كه در طبيعت موجود نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجاد آن مي باشد. برخي از مزاياي اين فناوري را مي توان توليد مواد قوي تر، قابل برنامه ريزي و كاهش هزينه هاي فعاليت برشمرد. تعريف نانوفناوري بر اساس برنامه پيشگامي ملي آمريكا (يك برنامه تحقيق و توسعه دولتي جهت هماهنگي ميان تلاش هاي صورت گرفته از طرف حوزه هاي علمي، مهندسي و فناوري) عبارتست از:
• توسعه علمي و تحقيقاتي در سطوح اتمي، مولكولي يا ماكرومولكولي، در محدوده اندازه هاي طولي از ۱ تا ۱۰۰ نانومتر.
• ساخت و كاربرد ساختارها، تجهيزات و سيستم هايي كه به علت ابعاد كوچك و يا متوسط خود داراي ويژگي ها و كاركردهاي نوين و منحصر به فردي هستند.
• توانايي كنترل و اداره كردن [مواد و فرآيندها] در ابعاد اتمي
نانوفناوري اشاره به تحقيقات و توسعه صنعتي در سطوح اتمي، مولكولي و ماكرومولكولي دارد. اين تحقيقات با هدف ايجاد و بهره برداري از ساختارها و سيستم هايي صورت مي گيرند كه به واسطه اندازه كوچك خود داراي خواص و كاربردهاي منحصر به فردي باشند.
تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوري هاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است كه در اين فناوري مورد استفاده قرار مي گيرند. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوري هاي ديگر به صورت قابل ارزيابي بيان نماييم، مي توانيم وجود عناصر پايه را به عنوان يك معيار ذكر كنيم. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانومقياسي هستند كه خواص آنها در حالت نانومقياس با خواص شان در مقياس بزرگتر تفاوت مي كند. به علت توسعه خواص پودرهاي بسيار ريز نظير شيمي سطح، خواص تراكم، مقاومت، خواص نوري و واكنشهاي سينيتيكي و همچنين افزايش تقاضا براي پودرهاي ريز در صنايع، خردايش بسيار ريزتر در بسياري از رشتهها مانند كانيها، مواد سراميكي، رنگدانهها، محصولات شيميايي، ميكروارگانيسمها، داروشناسي و كاغذسازي استفاده مي‌شود. به عنوان مثال، پودر سنگ آهك به عنوان پركننده در پلاستيكها جهت بهبود مقاومت در برابر گرما، سختي، استحكام رنگ و پايداري مواد به كار گرفته مي‌شود.
اين ماده همچنين در كاغذسازي به عنوان پوشش و پركننده جهت توليد كاغذهاي روشن با مقاومت مناسب در برابر زردي و كهنگي و همچنين جهت سنگ آهك قابليت چاپ، پذيرش جوهر و صافي و همواري كاغذ كاربرد فراواني دارد. لذا خردايش بسيار ريز پودر سنگ آهك، به شكل وسيعي در نقاشي، رنگدانهها، مواد غذايي، پلاستيكها و صنايع داروشناسي، به عنوان مواد پركننده كاربرد دارد.
تاريخچه فناوري نانو
در طول تاريخ بشر از زمان يونان باستان، مردم و به خصوص دانشمندان آن دوره بر اين باور بودند كه مواد را مي توان آنقدر به اجزاي كوچك تقسيم كرد تا به ذراتي رسيد كه خردناشدني هستند و اين ذرات بنيان مواد را تشكيل مي دهند، شايد بتوان دموكريتوس فيلسوف يوناني را پدر فناوري و علوم نانو دانست چرا که در حدود ۴۰۰ سال قبل از ميلاد مسيح او اولين كسي بود كه واژه اتم را كه به معني تقسيم نشدني در زبان يوناني است براي توصيف ذرات سازنده مواد به كار برد.
با تحقيقات و آزمايش هاي بسيار، دانشمندان تاکنون ۱۰۸ نوع اتم و تعداد زيادي ايزوتوپ كشف كرده اند. آنها همچنين پي برده اند كه اتم ها از ذرات كوچكتري مانند كوارك ها و لپتون ها تشكيل شده اند. با اين حال اين كشف ها در تاريخ پيدايش اين فناوري پيچيده زياد مهم نيست.
نقطه شروع و توسعه اوليه فناوري نانو به طور دقيق مشخص نيست. شايد بتوان گفت كه اولين نانوتكنولوژيست ها شيشه گران قرون وسطايي بوده اند كه از قالب هاي قديمي براي شكل دادن شيشه هايشان استفاده مي كرده اند. البته اين شيشه گران نمي دانستند كه چرا با اضافه كردن طلا به شيشه رنگ آن تغيير مي كند. در آن زمان براي ساخت شيشه هاي كليساهاي قرون وسطايي از ذرات نانومتري طلا استفاده مي شده است و با اين كار شيشه هاي رنگي بسيار جذابي به دست مي آمده است. اين قبيل شيشه ها هم اكنون در بين شيشه هاي بسيار قديمي يافت مي شوند. رنگ به وجودآمده در اين شيشه ها برپايه اين حقيقت استوار است كه مواد با ابعاد نانو داراي همان خواص مواد با ابعاد ميكرو نمي باشند.
در واقع يافتن مثال هايي براي استفاده از نانو ذرات فلزي چندان سخت نيست. رنگدانه هاي تزييني جام مشهور ليکرگوس در روم باستان (قرن چهارم بعد از ميلاد) نمونه اي از آنهاست.
اين جام هنوز در موزه بريتانيا قرار دارد و بسته به جهت نور تابيده به آن رنگ هاي متفاوتي دارد. نور انعکاس يافته از آن سبز است ولي اگر نوري از درون آن بتابد، به رنگ قرمز ديده مي شود. آناليز اين شيشه حکايت از وجود مقادير بسيار اندکي از بلورهاي فلزي ريز۷۰۰ (nm) دارد، که حاوي نقره و طلا با نسبت مولي تقريبا ۱۴ به يك است حضور اين نانوبلورها باعث رنگ ويژه جام ليکرگوس گشته است.
در سال۱۹۵۹ ريچارد فاينمن مقاله اي را درباره قابليت هاي فناوري نانو در آينده منتشر ساخت. باوجود موقعيت هايي كه توسط بسياري تا آن زمان كسب شده بود، ريچارد. پي. فاينمن را به عنوان پايه گذار اين علم مي شناسند. فاينمن كه بعدها جايزه نوبل را در فيزيك دريافت كرد در آن سال در يک مهماني شام كه توسط انجمن فيزيک آمريكا برگزار شده بود، سخنراني كرد و ايده فناوري نانو را براي عموم مردم آشكار ساخت. عنوان سخنراني وي «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» بود. سخنراني او شامل اين مطلب بود كه مي توان تمام دايره المعارف بريتانيكا را بر روي يك سنجاق نگارش كرد. يعني ابعاد آن به اندازه۲۵۰۰۰/۱ابعاد واقعيش كوچك مي شود. او همچنين از دوتايي كردن اتم ها براي كاهش ابعاد كامپيوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد كامپيوترها بسيار بزرگتر از ابعاد كنوني بودند اما او احتمال مي داد كه ابعاد آنها را بتوان حتي از ابعاد كامپيوترهاي كنوني نيز كوچكتر كرد. او همچنين در آن سخنراني توسعه بيشتر فناوري نانو را پيش بيني كرد.
كاربرد فناوري نانو
فناوري نانو به سه زير شاخه بالا به پايين، پايين به بالا (روش هاي ساخت) و نانو محاسبات (روش هاي مدل سازي و شبيه سازي) تقسيم بندي مي شوند كه هر كدام از اين روش ها نيز به شاخه هاي گوناگون تقسيم مي شوند.
كاهش اندازه ميكرو ساختاري مواد موجود مي تواند تاثيرات بزرگي را به وجود آورد. مثلاً همان طور كه اندازه دانه يا كريستال در يك فلز به سمت نانو مقياس حركت مي كند، نسبت اتم هاي موجود بر روي مرزهاي دانه هاي اين جسم جامد افزايش پيدا مي كند و آنها رفتاري كاملاً متفاوت از اتم هايي كه روي مرز نيستند بروز مي دهند. رفتار آنها شروع به تحت تاثير قرار دادن رفتار ماده مي كنند و در نتيجه در فلزات، افزايش استحكام، سختي، مقاومت الكتريكي، ظرفيت حرارتي ويژه، بهبود انبساط حرارتي و خواص مغناطيسي و كاهش رسانايي حرارتي ديده مي شود.
در اختلاط شديد از انواع همزن هاي دور بالا، همگن سازها، آسياب هاي كلوييدي و غيره مي توان براي تهيه قطرات ريز يك مايع در مايع ديگر (نانو كپسول ها) سود جست. البته عوامل فعال سطحي (خودآرايي) نقش كليدي در ايجاد و پايداري اين نانو امولسيون ها دارد.
در روش استفاده از آسياب گلوله اي با آسيا و يا پودر كردن مي توان براي ايجاد نانو ذرات استفاده كرد. خواص نانو ذرات حاصل تحت تاثير نوع ماده آسياكننده، زمان آسيا و محيط اتمسفري آن قرار مي گيرد. از اين روش مي توان براي توليد نان ذراتي از مواد استفاده كرد كه با روش هاي ديگر به آساني توليد نمي شوند. البته آلودگي حاصل از مواد محيط آسياب كننده هم مي تواند مشكل ساز باشد.
نانو ذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي شوند. معمول ترين آنها نانو ذرات سراميكي بوده كه به بخش سراميك هاي اكسيد فلزي (نظير اكسيدهاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن و نانو ذرات سيليكاتي (عموماً به شكل ذرات نانو مقياسي رس) تقسيم مي شود. طبق تعريف حداقل بايد يكي از ابعاد آنها كمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. نانو ذرات سراميكي فلزي يا اكسيد فلزي معمولاً اندازه يكساني از دو يا سه نانو متر تا ۱۰۰ نانو متر – در هر سه بعد دارند شايد شما انتظار داريد كه چنين ذرات كوچكي در هوا معلق بمانند اما در واقع آنها به وسيله نيروهاي الكترواستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي كنند. كاربردهاي بازارپسند اين نانو مواد بسيار زياد است.
خردايش يك فرآيند منحصر به فردي است كه در محدوده وسيعي از كابردهاي صنعتي جهت توليد ذرات ريز كاربرد دارد اما بسيار مشكل است كه توسط خردايش، ذرات را به سايز بسيار ريز تبديل كنيم و علاوه بر اين، خردايش بسيار ريز به علت ظرفيت پايين آسيا و مصرف انرژي بالا، بسيار گران است.
بنابراين افزايش در كارآيي خردايش، تاثير مفيد اساسي بر روي مصرف انرژي خردايش و هزينه خواهد داشت. براي رسيدن به اين هدف، انتخاب آسياي مناسب و عمليات در شرايط بهينه آسيا كردن لازم و ضروري به نظر مي‌رسد. در اين جهت از آسيای سانتريفيوژ استفاده می شود كه، يك آسياي با قدرت بالا بوده و ميتواند جهت خردايش بسيار ريز مواد مورد استفاده قرار گيرد.
اين آسيا با به كارگيري نيروهاي سانتريفيوژ توليد شده توسط دوران محور لوله آسيا در يك چرخه فعاليت مي‌كند.
همچنين در فناوري نانو ميتوان توسط فرآيند شيمی مکانيکی ترکيبات اكسي فلورايد لانتانيوم (Loaf) را در حد سايز بسيار ريز نانو به دست آورد. اكسي فلورايد لانتانيوم مي تواند يك فعال كننده، ماده ميزبان فسفر، كاتاليزور براي جفت شدن اكسايشي متان و يا اكسايش هيدروژن زدايي متان باشد. اين ماده توسط دو روش مهم تركيب مي شود. اولين شيوه، فرآيند تركيبي حالت جامد تحت فشار و حرارت بالا بوده و فعل و انفعالات مستقيمي را در بين مواد موجب مي شود و ديگري فرآيند electro_winning است كه جهت آماده سازي به يك محلول آبدار و يا يك نمك گداخته نياز دارد. در اين روش هاي تركيبي، از فلورايد لانتانيوم يا آمونيوم فلورايد به عنوان يك منبع فلورايد مورد استفاده قرار مي گيرد كه طبعاً داراي هزينه بالايي نيز است.
روش جايگزين ديگر جهت تركيب مواد كاربردي بدون استفاده از گرما مي باشد. در اين روش تنها از يك دستگاه خردايش با قدرت بالا نظير آسياي Planetary استفاده مي شود، به طوري كه در اين روش مسائل آلودگي هاي زيست محيطي به حداقل رسيده و دليل آن عدم وجود مواد مضري چون فلوئورين در گازهاي خروجي آن است. جهت جلوگيري از وجود ناخالصي هاي ناشي از پوشش گلوله هاي مورد استفاده در آسيا در زمان خردايش، از گلوله هاي از جنس زيركنيوم استفاده مي شود كه در مقابل سائيدگي مقاوم است.
تهيه: مهسا شهبازي
منبع: سایت مهندسی معدن
استفاده از نانو مواد در باتری های لیتیومی
مواد نانوساختار به دليل سطح تماس زياد، تخلخل و. . . بسيار مورد توجه صنعت باتري‌هاي ليتيومي قرار گرفته‌اند. اين مشخصات امکان انجام واکنش‌هاي فعال جديد، کاهش مسير انتقال يون‌هاي ليتيوم، کاهش سرعت جريان سطح ويژه و بهبود پايداري و ظرفيت ويژه باتري‌هاي جديد را فراهم کرده است. علاوه بر اين، مواد نانوکامپوزيتي که براي مسيرهاي هادي الکتروني طراحي مي‌شوند، مي‌توانند مقاومت داخلي باتري‌هاي ليتيومي را کاهش داده، سبب افزايش ظرفيت ويژه، حتي در سرعت جريان‌هاي شارژ/ تخليه بالا شوند.
نانومواد به طور گسترده در علوم زيستي، فناوري اطلاعات، محيط زيست و ديگر زمينه‌هاي مرتبط استفاده گسترده‌اي دارند. اخيراً مواد نانوساختار توجه پژوهشگران براي کاربرد در تجهيزات ذخيره انرژي[1 و 2] به خصوص در انواعي که سرعت جريان شارژ و تخليه بالايي دارند، مثل باتري‌هاي ليتيومي، جلب کرده‌اند[3]. توسعه تجهيزات ذخيره انرژي با توان و دانستيه انرژي بالاتر، کليد موفقيت وسايل نقليه الکتريکي و الکتريکي هيبريدي (EV وHEV) است[ 4 و 5] و انتظار مي‌رود جايگزين حداقل بخشي از وسايل نقليه امروزي شده، مشکلات آلودگي هوا و تغييرات اقليمي را رفع کند. اين فناوري‌هاي ذخيره انرژي متکي به علوم مواد جديد هستند که به عنوان نمونه ميتوان از توسعه الکترودهايي نام برد که قابليت شارژ و تخليه در سرعت جريان بالا را دارند.
باتري‌هاي ليتيومي قابل شارژ شامل يک الکترود مثبت (کاتد)، الکتروليت حاوي يون‌هاي ليتيوم و يک الکترود منفي (آند) هستند (شکل 1) . جنس الکترودهاي مثبت و منفي اغلب باتري‌هاي تجاري ليتيومي به‌ترتيب از LiCoO2 و گرافيت است که هر دو به عنوان جايگاه‌هاي تبادل يون‌هاي ليتيوم عمل مي‌کنند. در حين فرايند شارژ کردن باتري، يون‌هاي ليتيوم از الکترود LiCoO2 جدا، همزمان به وسيله الکترودگرافيت جذب شده و با گرفتن الکترون بار کلي را خنثي نگه مي‌دارند. در حين فرايند تخليه باتري، يون‌هاي ليتيوم از الکترود منفي خارج و در همان زمان بر روي الکترد مثبت جاي مي‌گيرند.
اين فرايند الکتروشيميايي، يک واکنش اکسيد- احياي حالت جامد است که طي آن، انتقال الکتروشيميايي بار بين يون‌هاي متحرک و ساختار يک جامد هادي يون و الکترون صورت مي‌گيرد. معمولاً حالت مطلوب آن است که مقدار انرژي ذخيره شده در واحد جرم يا حجم باتري تا حد ممکن بالا باشد. براي مقايسه محتواي انرژي باتري‌هاي ليتيومي، از پارامتر دانستيه ويژه انرژي ( Wh/Kg) و دانستيه انرژي (Wh/l ) استفاده مي‌شود؛ در حالي که قابليت سرعت، برحسب دانستيه ويژه توان ( Wh/Kg) و دانستيه توان (Wh/Kg ) بيان مي‌شود. براي HEVها دانستيه ويژه انرژي مورد نياز و دانستيه ويژه توان باتري‌هاي ليتيومي بايد به‌ترتيب 50Kw/kgبيش از3Wh/Kgو باشد؛ حال آنکه EVها مقادير خيلي بيشتري نياز دارند، پس به نظر مي‌رسد الکترودهاي نانوساختار اميد بخش‌ترين مسير براي رسيدن به اين هدف هستند.
به طول کلي مزاياي بالقوه الکترودهاي نانوساختار را ميتوان به شرح زير خلاصه کرد:
1. واکنش‌هاي جديد که امکان انجام آنها با مواد توده‌اي وجود ندارد؛
2. سطح تماس زياد الکترود- الکتروليت که منجر به سرعت بيشتر شارژ و تخليه مي‌شود؛
3. مسير انتقال کوتاه‌تر الکترون‌ها و يون‌هاي ليتيوم (که امکان عمل در هدايت پايين يون‌هاي ليتيوم و الکترون‌ها يا در توان‌هاي بالاتر را فراهم مي‌کند) .
در اين مقاله برخي از نتايج تجربي اخير را که نشان‌دهنده مزاياي الکترودهاي نانوساختار است، مرور مي‌کنيم.
واکنش‌هاي جديد
در سال‌هاي اخير تلاش‌هاي زيادي در زمينه تحقيق بر روي موادي صورت گرفت که به نظر مي‌رسد در حالت توده‌اي از نظر الکتروشيميايي غيرفعالند، ولي عملکرد الکتروشيميايي خوبي در مقياس نانو از خود بروز مي‌دهند. به عنوان مثال، نانوذرات اکسيد، سولفيد، فلوئوريد و نيتريد برخي از فلزات واسطه مي‌توانند به عنوان آند در باتري‌هاي ليتيومي به‌کار روند. واکنش اين ترکيبات با ليتيوم منجر به تشکيل نانوذرات جاسازي شده در بستر LizX مي‌شود (X ميتواند N، F، S يا O باشد) .
فلزات واسطه با ليتيوم آلياژ فلزي تشکيل نمي‌دهند؛ بنابراين، سازوکار واکنش‌پذيري ليتيوم با فرايندهاي استخراج – الحاق ليتيوم يا آلياژ شدن ليتيوم متفاوت است. فرايند متداول استخراج- الحاق ليتيوم در شکل 1 نشان داده شده است؛ در حالي که واکنش آلياژ شدن ليتيوم به صورت زير نوشته مي‌شود:
1)
که M ميتواند Sn، Si، Pb، Bi، Sb، Ag، Al يا يک آلياژ مرکب باشد. در عوض، سازوکار واکنش ترکيبات فلزات واسطه با Li در حين فرايند شارژ و تخليه، شامل تشکيل و رسوب LizX به همراه احيا و اکسيد شدن نانوذرات فلزي است.
مکانيسم کلي به وسيله معادله زير توصيف مي‌شود [ 4 و 6 و7 ]:
2)
که M در اينجا يک فلز واسطه مانند Fe، Co، Ni، Cu و. . . است. همان طور که در اين معادلات ديده مي‌شود، تفاوت اصلي بين معادلات 1 و 2 تشکيل و رسوب LizX يا آلياژي از ليتيوم است.
در يک مطالعه اصولي، Poizot و Coauthors [7[ نشان دادند که الکترودهاي ساخته شده از نانوذرات اکسيد عناصر واسطه در هنگام شارژ يا تخليه با پتانسيل 5/3 تا 01/0 ولت (نسبت بهLi+/Li )، مي‌توانند ظرفيت ويژه 700mah/g با ماندگاري ظرفيت 100 درصد براي حدود صد بار عمل شارژ/ تخليه و سرعت جريان بالاي شارژ مجدد داشته باشند. ظرفيت بالاي ذخيره ليتيوم در نانوذرات اکسيد فلزي واسطه در پتانسيل کم به وسيله سازوکار بين‌سطحي ذخيره بار تفسير مي‌شود[8 و9]. مطابق اين مدل، يون‌هاي ليتيوم بر روي بخش اکسيدي سطح مشترک ذخيره مي‌شوند؛ در حالي که الکترون‌ها با استقرار بر روي بخش فلزي، منجر به جدايي بار مي‌شوند. بر اين اساس، محدود کردن اندازه ذرات فلزي، فعاليت الکتروشيميايي آنها را در تشکيل و رسوب دادن Li2O افزايش مي‌دهد. با کاهش اندازه ذره، سهم تعداد کل اتمها در نزديکي سطح يا روي آن افزايش مييابد که اين امر واکنش‌پذيري الکتروشيميايي ذرات را بيشتر و مؤثرتر مي‌کند. اين بررسي‌ها علت وابستگي زياد کارايي اين مواد به درجه تجمع و به هم پيوستگي آنها را نشان مي‌دهد. به طور نمونه، kim و همکارانش[10]، اخيراً نشان دادند که ذرات SnO2 با قطر سه نانومتر نسبت به ذرات چهار تا هشت نانومتري، ظرفيت قابل توجه و پايداري چرخه بيشتري دارند؛ زيرا توزيع اين مواد در بستر Li2O مناسب‌تر است که اين امر منجر به تجمع کمتر نانوذرات Sn در خوشه‌هاي اتمي مي‌شود.
الکترودهاي نانوساختار نه تنها قادر به انجام برخي واکنش‌هاي جديد هستند؛ بلکه مي‌توانند خواص الکتروشيميايي نظير ظرفيت ويژه ذخيره انرژي، توانايي جريان شارژ/ تخليه بالا و پايداري چرخه را نسبت به نمونه‌هاي معمولي بهبود بخشند. اين امر از مسير نفوذ کوتاه‌تر و سطح تماس زياد بين مواد فعال و الکتروليت ناشي مي‌شود. نفوذ يون‌هاي ليتيوم شديداً به طول مسير انتقال و مکان‌هاي قابل دسترسي به روي سطح مواد فعال بستگي دارد. ترکيباتي که داراي ضريب نفوذ ليتيوم کمتري هستند معمولاً در حالت توده و به خصوص در سرعت‌هاي جريان بالا، ظرفيت ذخيره ليتيوم کمتري از خود نشان مي‌دهند. اين حالت مخصوص نوع TiO2 روتيل است که تنها ميتواند مقادير ناچيزي از يون‌هاي ليتيوم را در دماي اتاق در خود جاي دهد[11-13]. نفوذ يون‌هاي ليتيوم در TiO2 روتيل شديداً ناهمسانگرد است و نفوذ در طول کانال‌هاي محور C با سرعت بيشتري روي مي‌دهد. ضمناً انحراف قابل توجه در ساختار روتيل نفوذ يوني ليتيوم را در صفحات b-a در دماي پايين کند مي‌کند ( ) . اين امر مانع رسيدن يون‌هاي ليتيوم به مکان‌هاي چهاروجهي مناسب در صفحات a-b و سبب جداسازي آنها در مجاري C مي‌شود[14-16].
با اين وجود، اين جايگزيني در مقياس نانو کاملاً متفاوت است. براي ذرات TiO2 روتيل با ميانگين قطر 15 نانومتر بيشترين مقدار استقرار ليتيوم (x>1 in LixTiO2) در مطالعات اخير ما مشاهده شده‌است]17[. علاوه بر اين، به طور متوسط حدود 7/0 يون ميتواند به‌طور برگشت‌پذير در هر ذره TiO2 روتيل ذخيره شده، و در چرخه بعدي رها شود (شکل2) . نتايج مشابهي نيز از سوي Hu ] 18[ و Reddy ]19[ گزارش شده است.
ولي در الکترود TiO2 روتيل نانوساختار، کوتاهي مسير نفوذ، نفوذ يون‌هاي ليتيوم در صفحات a-b را محدود کرده است. بدين معني که يون‌هاي ليتيوم در يک زمان معين مي‌توانند محلهاي چهاروجهي بيشتري را در اين صفحات اشغال کنند. در کنار اين، مطالعه تئوري Stashans و همکارانش[20] نشان داد که در پايدارترين حالت- صفحه (0 1 1) TiO2 روتيل-استقرار ليتيوم بيشتر يک اثر سطحي است، زيرا اتم ليتيوم در توده نفوذ نمي‌کند.
سطح تماس زياد الکترود- الکتروليت
همان طور که گفته شد، ذخيره سطحي ليتيوم نقش مهمي در ظرفيت نهايي نانوالکترودها ايفا مي‌کند. علاوه بر اين، همان طور که در بسياري از مواد آندي ديديم، سطح تماس بيشتر الکترود- الکتروليت ميتواند به اصلاح ظرفيت جريان شارژ و تخليه بالا منجر شود. اين امر با توجه به دو عامل توصيف مي‌شود:
نخست آنکه اندازه کوچک ذرات، يعني طول انتقال کوتاه، نفوذ کامل ليتيوم را در زمان کمتر يا به عبارت ديگر سرعت جريان بالاتر شارژ يا تخليه را امکان‌پذير مي‌سازد. از طرف ديگر ذخيره سطحي ليتيوم فقط به مساحت سطح بستگي دارد نه به زمان نفوذ؛ بنابراين سطح تماس بيشتر الکترود- الکتروليت براي عمل در سرعت جريان بالا مفيد است.
دوم آنکه با استفاده از نانوالکترودها ميتوان دانسيته جريان ويژه مواد فعال را به دليل سطح تماس زياد تا حد زيادي کم کرد. دانسيته جريان ويژه کمتر ميتواند الکترود را به طور مؤثري پايدار کرده، ظرفيت بالا را در دانسيته جريان بالا حفظ کند[3]. به عنوان مثال Poizot و همکارانش[7] نشان دادند که نانوالکترودهاي CoO ميتواند حدود 85 درصد از کل ظرفيت را در سرعت C2 (C سرعت جريان تئوري مورد نياز براي شارژ يا تخليه ظرفيت باتري در يک ساعت است) نگه دارد. همچنين در کنار ظرفيت ويژه بالا، عملکرد بسيار سريع براي نانوالکترودهاي TiO2 روتيل مشاهده شده است[ 18]. اين يافته‌ها براي اسپينل ليتيوم تيتانات (Li4Ti5O12) نيز صادق است. Li4Ti5O12 به دليل در حين فرايند استخراج – الحاق يک آند بسيار فعال به شمار آمده، سبب پايداري فوق‌العاده چرخه مي‌شود. ولي ماهيت نيمه‌رسانايي آن نشان مي‌دهد که عملکرد شارژ و تخليه آن در جريان‌هاي بالا نسبت به ماده توده‌اي ضعفيف‌تر است. Kavan و همکارانش]21[ نشان دادند که الکترودهاي Li4Ti5O12 نانو بلورين فعاليتي عالي نسبت به جاسازي ليتيوم حتي در سرعت شارژ برابر با ( 1C=175)250C نشان مي‌دهند. اين مواد با سطح تماسي بين 20 تا صد متر مربع بر گرم مي‌توانند تقريباً تا حد کل ظرفيت ظاهري Li4Ti5O12 و در محدوده وسيعي از سرعت جريان (از 2C تا 250C) شارژ يا تخليه شوند.
در مطالعه ديگري، وابستگي ظرفيت ذخيره ليتيوم و عملکرد سريع الکترودهاي TiO2 آناتاز با اندازه ذرات بررسي]22[ و مشخص شد که با کاهش اندازه ذرات الکترود آناتاز باريک شدگي صفحات استخراج – الحاق ليتيوم در سرعت جريان‌هاي بالا به تأخير مي‌افتد. همچنين مشخص شد که سهم ذخيره سطحي ليتيوم تقريباً مستقل از سرعت جريان و تعداد چرخه‌هاست. اين امر منجر به عملکرد مناسب و پايدار چرخه شارژ- تخليه در نانوالکترودهاي TiO2 آناتاز، حتي در سرعت جريان‌هاي بالا مي‌شود (شکل 3) .
مسير انتقال کوتاه
به طور کلي فرايند شارژ- تخليه شامل يک واکنش اکسيد- احياست که در آن انتقال يون‌هاي ليتيوم و الکترون‌ها مخصوصاً در شارژ يا تخليه‌هاي سريع نقش مهمي دارند. مواد نانوساختار مي‌توانند مسير انتقال يون‌ها و الکترون‌ها را کوتاه کنند. در مقابل، الکترودهاي باتري‌هاي تجاري اغلب از مواد ميکروني مثلاً پودرهاي حاوي ذرات ميکروني با سطح ويژه کم ( ) تشکيل شده‌اند. از لحاظ نفوذ، اين مواد ميکروني به‌دليل طولاني بودن مسير انتقال يون‌هاي ليتيوم و کم بودن سطح تماس بين الکترود و الکتروليت براي فرايندهاي شارژ – تخليه سريع مناسب نيستند.
نفوذ يون‌هاي ليتيوم به دليل ماهيت فاز الکتروليت، سطح مشترک مايع- جامد، و پيچ و خم مسير نفوذ يک پديده پيچيده است و لازم است که اندازه ذرات مورد توجه قرار گيرد]13[. اگر فقط به کل فرايند توجه کنيم و فرض کنيم که ضريب نفوذ تنها به اين عوامل وابسته است، ميتوان طول نفوذ را با استفاده از رابطه تعيين کرد که D و T به ترتيب ضريب نفوذ و زمان هستند. ظرفيت ويژه باتري (Q) به وسيله رابطه Q=IT به دست مي‌آيد که I دانسيته جريان ويژه شارژ- تخليه در واحدA/Kg ياMa/g است. در ظرفيت ثابت، افزايش I منجر به کاهش سريع (T) مي‌شود. بنابراين، ظرفيت ويژه مؤثر به نسبت حجم (r3- (r-L) 3) /r3 بستگي دارد که r شعاع ذرات فعال است]3[. براي رسيدن به حداکثر ظرفيت ويژه، طول نفوذ مورد نياز (L) بايد از (r) بزرگتر باشد]23[. ذراتي با اندازه r2 بايد حدود دو نانومتر باشند. اين موضوع نشان مي‌دهد که مواد الکترودي نانوساختار براي تبديل و ذخيره دانستيه انرژي و توان بالا ضروري‌اند.
در حدود مواد فعال و متخلخل TiO2 نيز صادق است]3[. TiO2 متخلخل يک مزوساختار شش‌وجهي حاوي حفرات يکنواخت با قطر چهار تا پنج نانومتر از نانوبلورهاي TiO2 آناتاز است که در دانستيه جريان بالا (10m2/g ) ظرفيت ويژه بالايي ( 260mah/g) از خود نشان مي‌دهند]2[. نتايج مشابهي براي نانوبلورهاي TiO2 آناتاز با قطر شش نانومتر (شکل 3)، نيز مشاهده شده است]22[.
براي اصلاح عملکرد شارژ- تخليه با سرعت جريان بالا، مسير انتقال الکترون نيز بايد تا حد ممکن کوتاه باشد. از معمولاً کربن دوده به عنوان يک ماده هادي کمکي در باتري‌هاي ليتيومي استفاده مي‌شد. ولي مشکلاتي نظير سطح تماس، آلودگي سطح و. . . در فرآيند اختلاط مکانيکي مواد هادي کمکي و مواد فعال الکترود وجود داشت؛ بنابراين کاهش مقاومت از طريق کوتاه کردن مسير انتقال الکترون در فرايند شارژ- تخليه هنوز مطرح است. برخي روشهاي سنتز شيميايي براي سنتز مستقيم مواد فعال الکترود نظير V2O5 ] 24[، TiO2 ]25[ و MnO ]26[ بر روي کربن دوده استيلني ابداع و گزارش شده‌اند. اخيراً روشي براي سنتز مواد فعال متخلخل از قبيل No ]27[، Fe2O3 ]28[ و Co3O2 ]29[ براي تشکيل مواد نانو/ميکروساختار پوسته – هسته بر روي يک سطح مشبک نيکلي گزارش شد (شکل 4) . Tarascon و همکارانش]6[ اولين کساني بودند که نشان دادند الکترودهاي منفي شامل NiO، FeO يا CoO، داراي ظرفيت ويژه بالا تا حد 700 در سرعت جريان شارژ- تخليه پايين هستند، ولي استفاده از مواد هسته- پوسته فعال ميکرو/نانوساختار سنتزي، ظرفيت ويژه مشابهي را حتي در سرعت شارژ- تخليه خيلي بالا نشان مي‌دهند.
ظرفيت‌هاي ويژه در حدود 695mah/g (درA/g 10) و 780mah/g (در 13)، به ترتيب با استفاده از مواد فعال پوسته- هسته Ni- NiO و Ni- Fe2O3 به دست آمدند (شکل 5) .
در مواد فعال نانو/ميکروساختار پوسته- هسته، قطر سيم نيکلي خيلي نازک است. لذا سيم‌ها و نانولوله‌هاي هادي با قطر چند نانومتر تا چند ده نانومتر براي انتقال الکتروني به عنوان يک هسته مناسب‌تر هستند. مواد فعال نانوبلوري سنتز شده بر روي نانولوله‌هاي کربني نيز براي باتري‌هاي ليتيومي پرسرعت مورد بررسي قرار گرفته‌اند و رفتار شارژ- تخليه اصلاح شده‌اي را در دانسيته جريان بالا نشان داده‌اند]30[.
با وجود اين، سنتز مواد فعال نانوساختار بر روي نانولوله‌ها و نانوسيم‌هاي هادي هنوز يکي از اميدبخش‌ترين زمينه‌هاي تحقيقاتي است.
الکترودهاي نانوساختار براي عملکرد پايدار چرخه
الکترودهاي نانوساختار در کنار عملکرد بسيار مناسب در سرعت جريان‌هاي بالا، پايداري چرخه خوبي دارند]3، 17، 18، 22 و 31[.
کم شدن ظرفيت باتري‌هاي ليتيومي در حين چرخه شارژ و تخليه معمولاً به دليل انقباض و انبساط حجمي زياد ناشي از فرايندهاي استخراج – الحاق ليتيوم يا آلياژ شدن ليتيوم در باتري است. به عنوان مثال، Si به عنوان الکترود منفي باتري‌هاي ليتيومي داراي بالاترين ظرفيت تئوري 4200 است ]32-34[.با وجود اين، استفاده تجاري از آن به واسطه تغييرات قابل توجه حجم در حين فرآيند محدود شده است]34[. الکترودهاي نانوساختار مي‌توانند انبساط و انقباض حجم را از بين برده، سبب پايداري چرخه عملکرد باتري شوند.
به طور نمونه، نوع جديدي از الکترودهاي نانوکامپوزيتي Si/C ظرفيت برگشت‌پذير خيلي بالا (حدود 1000) و ماندگاري ظرفيت خوبي (8/99 درصد) از خود نشان مي‌دهند]35[. گمان مي‌رود که نقش الکترود کامپوزيتي نانوساختار در کاهش تغييرات حجم Si در حين فرايندهاي شارژ و تخليه، علت ظرفيت و پايداري بالا در اين باتري‌ها باشد.
منبع:ستاد ویژه ی توسعه ی فناوری نانو
