نانوتکنولوژی |مقالات|

کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت مواد غذایی
●مقدمه
برگزاری همایش‌‌هایی با موضوع فناوری‌نانو، راه‌اندازی کنسرسیوم‌هایی برای مواد غذایی بهتر و سالم‌تر، همچنین بالا بردن آگاهی مردم از طریق رسانه‌ها، مؤید تأثیرگذاری فناوری‌نانو بر صنایع غذایی است. انواع کاربردهای نانو در این زمینه شامل بسته‌بندی‌های هوشمند، مواد نگهدارنده و مواد خوراکی تعاملی ( interactive ) است، که به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهد موادغذایی را با توجه به ذائقه و نیازغذایی مورد نظرشان تغییر دهند.
بیشترغول‌های تولید کننده موادغذایی مانند Nestle,Kraft,Heinz و Unilever برنامه‌های تحقیقاتی مشخصی در این زمینه دارند تا بتوانند سهم بازار خود را در دهه‌های آینده حفظ کنند. این بدان معنا نیست که مواد غذایی به‌طور اتمی تغییر پیدا کنند و یا با نانوماشین‌ها تولید شوند، زیرا آرزوی تولید غذاهای مولکولی با کمک نانو ماشین‌ها فعلاً عملی نیست.
با علم به قابلیت‌های فناوری‌نانو امید است، بتوان سیستم‌های فعلی فراوری مواد غذایی را تغییر داده، محصولاتی مطابق با فرهنگ تغذیه سالم به بازار عرضه كرد. محققان همچنین امیدوارند بتوانند با استفاده از مواد افزودنی، کیفیت مواد غذایی و هضم و جذب غذا را در بدن افزایش دهند. اگر چه بعضی از این اهداف دور از انتظار به نظر می‌رسد، اما امروزه صنایع بسته بندی از فناوری‌نانو در محصولات خود کمک می‌گیرند.

۱. بسته‌بندی و سلامت مواد غذایی
پیشرفت در بسته بندی هوشمند برای افزایش عمر مفید محصولات غذایی، هدف بسیاری از شرکت‌هاست. این سیستم‌های بسته‌بندی قادر خواهند بود پارگی‌ها و سوراخ‌های کوچک را با توجه به شرایط محیطی (مانند تغییرات دما و رطوبت) ترمیم و مصرف کننده را از فساد ماده غذایی آگاه سازند. فناوری‌نانو می‌تواند در مواردی مانند افزایش مقاومت به نفوذ در پوشش‌ها، افزایش ویژگی‌های دیواره (مکانیکی، حرارتی، شیمیایی ومیکروبی)، افزایش مقاومت در برابر گرما، گسترش ضد میکروب‌های فعال و سطوح ضد قارچ کارساز باشد.
چشم اندازهای مالی فناوری‌نانو، صنایع بسته‌بندی را پررونق نشان می‌دهد. سهم بازار این صنعت در حال حاضر حدود ۱.۱ میلیارد دلار است و پیش‌بینی‌ می‌شود تا سال ۲۰۱۰ به ۷.۳ میلیارد دلار آمریکا برسد. با این وجود، صنعت بسته‌بندی هوشمند از آنچه پیش‌بینی شده بود جلوتر رفته و نشانه‌های تکامل آن به خوبی پیداست. تحقیقات سازمان مالی Frost and Sullivan نشان داد که علاقه مشتریان به مواد غذایی سالم و تازه در بسته‌بندی‌های مناسب، موجب پیشرفت این صنعت شده است. سازمان های زیادی وجود دارند که در زمینه سیستم‌های بسته‌بندی هوشمند فعالیت می‌کنند، ازجمله شرکت تولیدکننده مواد غذایی Kraft كه با همکاری دانشگاه راتگرز در حال فعالیت روی پروژه زبان الکترونیکی ( electronic tongue ) است تا آن را به بسته‌بندی‌ها اضافه کند. این نوع بسته‌بندی شامل رشته‌ای از نانوحسگرهاست که نسبت به گازهایی که از مواد غذایی آزاد و موجب فساد آنها می‌شوند، به شدت حساس بوده و تغییر رنگ می‌دهند که این تغییر رنگ، علامت واضحی از سلامت یا فساد ماده غذایی است.
شرکت Bayer Polymer کیسه‌ای پلاستیکی با نام Durethan KU ۲-۲۶۰۱ تولید کرده است که از محصولات موجود در بازار سبک تر و محکم تر است، همچنین مقاومت بیشتری در برابر گرما از خود نشان می‌دهد. هدف اولیه از تولید پلاستیک‌های بسته‌بندی مواد غذایی، جلوگیری از خشک شدن محتویات آنها و محافظت در مقابل رطوبت و اکسیژن است. پوشش جدید غنی از نانوذرات سیلیکات است. این نانوذرات تا حد زیادی از نفوذ اکسیژن، گازهای دیگر و رطوبت جلوگیری می‌کنند و فساد مواد غذایی را به تعویق ‌می اندازند.
سازمان‌های دیگر به کمک فناوری‌نانو در حال یافتن راهی برای تشخیص فساد مواد غذایی هستند. به عنوان مثال شرکت AgroMicron ، افشانه تشخیص دهنده نانوبیولومینسانس را ساخته که شامل پروتئین لومینسانت است. در این طرح، افشانه سطح میکروب‌هایی مانند Salmonella و E.coli را ‌پوشانده، و از خود نوری ساطع می‌کند و به این روش فساد مواد غذایی تشخیص داده می‌شود. این شرکت امیدوار است بتواند محصول مورد نظر را با نام BioMark وارد بازار کند. در حال حاضر این شرکت در حال ساخت افشانه‌‌هایی با روش‌‌های جدید است تا بتواند از آنها در حمل و نقل دریایی استفاده کند.
در راهبرد مشابه، برای اطمینان از سلامت مواد غذایی، محققان اتحادیه اروپا در پروژه Good Food از نانوحسگرهای قابل حمل برای یافتن مواد شیمیایی مضر، پاتوژن‌ها و سم‌‌ها در مواد غذایی استفاده می‌کنند.
با این کار، دیگر نیازی به فرستادن نمونه‌های مواد غذایی به آزمایشگاه برای تشخیص سلامت و کیفیت محصولات در کشتزارها و کشتارگاه‌ها نیست. همچنین این پروژه، در حال توسعه به کارگیری زیست تراشه‌های DNA برای کشف پاتوژن‌هاست. این روش می‌تواند در تشخیص باکتری‌های مضر و متفاوت موجود در گوشت یا ماهی و یا قارچ‌های میوه مؤثر باشد. این پروژه در نظر دارد با گسترش میکروحسگرهای رشته‌ا‌ی، بتواند آفت‌کش‌های میوه و سبزیجات را به همان خوبی که شرایط محیطی کشتزارها را کنترل می‌کند تشخیص دهد. این نوآوری به نام حسگرهای Good Food نامیده می‌شود.
پروژه سرمایه‌گذاری شده اتحادیه اروپا به نام BioFinger که هدف آن، ساخت ابزارهای ارزان با توان تشخیص آسان در سلامت محیط زیست است، فعالیت دیگری در زمینه آنالیز مواد غذایی دارد. در ابزارهایی که از حامل ( cantilever ) استفاده می‌کنند، روش بدین صورت است که تیرک ( Tip ) با ماده شیمیایی پوشانده شده و در برخورد با مولکول‌های خاصی، سیگنال ایجاد می‌کنند. BioFinger با استفاده از این حامل‌ها که به یک میکروتراشه متصل است کوچک‌تر و قابل حمل می‌شود.
ارتش آمریکا در حال ساخت حسگرهای فوق‌العاده‌ای‌ است که از آنها در مقابل حمله‌کننده‌ها به مواد غذایی استفاده می‌شود. در سیستم های کنونی چندین روز طول می‌کشد تا وجود پاتوژن‌ها در مواد غذایی تشخیص داده شود. تشخیص سریع پاتوژن‌ها به وسیله این حسگرها به زودی باعث فراگیر شدن این فناوری در صنعت مواد غذایی خواهد شد.
محققان دانشگاه بُن در حال ساخت پوشش‌های دفع کننده آلودگی برای بسته‌بندی‌ها با استفاده از اثر لوتوس (نیلوفر آبی) (قطره آب از سطح برگ‌های نیلوفر آبی می‌لغزد و در نتیجه هرم‌های موم مانند نانومقیاس، سطح برگ را می‌پوشاند) هستند. کشتارگاه‌ها و محل‌های فرآوری گوشت نیز می‌توانند از این فناوری استفاده کنند. گروه تحقیقاتی دانشگاه انگلیسی لیدز دریافتند که نانوذرات اکسید منیزیم و اکسید روی باعث از بین بردن میکروارگانیزم‌ها می‌شوند. استفاده از این مواد بسیار ارزان‌تر از نانوذرات نقره است و می‌توانند کاربرد زیادی در بسته‌بندی مواد غذایی داشته باشند. فناوری شناخت فرکانس‌های رادیویی ( RFID ) در بیش از ۵۰ سال پیش توسعه یافت، ولی امروزه این فناوری راه خود را برای کنترل مواد غذایی در مغازه‌ها پیدا کرده است.
در این فناوری با استفاده از میکروپردازشگر‌ها می‌توان داده‌ها را به گیرنده‌های بی‌سیم ارسال کرد. امروزه می‌توان از این روش برای کنترل اقلام غذایی از انبار تا دست مصرف‌کننده بهره گرفت. برخلاف بارکدها که نیاز به اسکن دستی و خواندن یک به یک دارند، برچسب‌های RFID نیازی به خوانده شدن خطی نداشته و امکان خواندن تعداد زیادی از آنها در یک ثانیه وجود دارد. فروشگاه‌های زنجیره‌ای مانند Wal Mart ، Home Depot گروه Metro و Tsco در حال آزمایش این فناوری هستند. ضعف اصلی این روش، افزایش هزینه تولید است که نتیجه ساخت سیلیکونی آن می‌باشد. با ترکیب فناوری‌نانو و الکترونیک (نانوترونیک) این برچسب‌ها ارزان‌تر و کاراتر شده، همچنین پیاده‌سازی آنها آسان‌تر می‌شود.
گروهی از دانشمندان شمال اروپا، کنسرسیوم نانوغذایی را با هدف توسعه کاربردهای فناوری‌نانو دراین صنعت و با تأکید بر مواد غذایی سالم و مطمئن تشکیل داده‌اند. این مجمع، متشکل از شرکت‌های Arla Foods, Danisco A/S, Ar hus United A/S, Danish Crown amba و مرکز میان رشته‌ای نانوعلوم است.
با تأکید بر فراهم آوردن مواد غذایی سالم برای مشتریان، اولویت‌های این کنسرسیوم عبارت از توسعه حسگرهایی که قادر به تشخیص سریع سم در ترکیبات و یا باکتری‌های مضر در نمونه‌های غذایی باشند، گسترش سطوح ضد باکتری برای ماشین‌هایی که در تولید مواد غذایی به‌کار می‌روند، گسترش ساخت پوشش‌های محکم‌تر و ارزان‌تر، تولید مواد غذایی با ترکیبات خوراکی سالم‌تر می‌باشد.
تحقیقات مرکز دانمارک در بخش پژوهش‌های پیشرفته غذایی ( LMC ) که از همبستگی مؤسسات دانمارکی فعال در زمینه علوم غذایی تشکیل شده‌اند، برنامه‌های خود را در چارچوب هفتمین برنامه خود به صورت زیر اعلام می‌دارد:
درک پایه‌ای از مواد غذایی و تغذیه حیوانات برای نوآوری هوشمند؛
سیستم‌های زیست‌شناسی در تحقیقات غذایی؛
بازنگری زیستی در بخش محصولات غذایی؛
پیشرفت‌های فناوری؛
علم مواد خوراکی؛
نوآوری‌هایی بر اساس نیاز مشتری و ارتباطات غذایی.
آنها معتقدند تمرکز روی این برنامه‌ها می‌تواند موجب دستیابی کامل و چند جانبه در تحقیقات و توسعه مواد غذایی در اروپا شود. همچنین امیدوارند از نانوموادی با ویژگی‌های کاربردی به منظور استفاده در نانوحسگرها و فناوری ‌نانوسیالات در صنایع غذایی استفاده کنند. پیشرفت در مواد بسته‌بندی هوشمند، امکان کنترل شرایط محصولات در طول حمل و نقل و استفاده از روش‌های بسته‌بندی مبتنی بر زیست‌شناسی را برای ما مهیا می‌سازد.

۲. فراوری مواد غذایی
فناوری‌نانو علاوه بر بسته‌بندی، تأثیر زیادی روی گسترش مواد غذایی کاربردی و تعاملی دارد؛ موادی که به نیازهای بدن پاسخ داده، می‌توانند در رسانش مواد غذایی مؤثر باشند. گروه‌های تحقیقاتی مختلفی در حال کار روی ساخت مواد غذایی جدید بر اساس تقاضا هستند. این مواد به صورت غیر فعال در بدن باقی می‌مانند و مواد غذایی را در صورت نیاز به سلول‌ها می‌رسانند. عنصر کلیدی این بخش، توسعه نانوکپسول‌هایی است که با استفاده از آنها در مواد غذایی می‌توان کار رسانش را به خوبی انجام داد. از پیشرفت‌های دیگر در فرآوری مواد غذایی، افزودن نانوذرات به مواد خوراکی برای افزایش جذب آنها در بدن است.
یکی از بهترین نانوایی‌ها در غرب استرالیا در استفاده از نانوکپسول‌هایی که شامل روغن ماهی تن (منبع غنی از اسیدهای چرب امگا ۳) بوده‌اند؛ موفق بوده است. این مرکز از نانوکپسول‌ها در پرفروش‌ترین نوع نان خود به نام tip-top استفاده می‌کند و این ذرات فقط هنگامی باز و شکسته می‌شوند که وارد معده شوند، به این ترتیب از مزه ناخوشایند روغن ماهی جلوگیری می‌شود.
شرکت Nutralease در رژیم اشغالگر قدس، از فناوری ساختارهای مایع خودآرای نانومقیاس ( NSSL ) برای رسانش مواد غذایی استفاده می‌کند. این ذرات به شکل مایسل (کره‌های توخالی که از چربی ساخته شده و درون آن آب است) با قطر حدود ۳۰ نانومتر هستند. مواد خوراکی یا nutraceuticals دارای آب درونی هستند و می‌توانند برای حمل موادی مانند لیکوپن، بتا-کاروتن، لوتین، فیتوسترول ها، CoQ ۱۰ و DHA/EPA مورد استفاده قرار بگیرند. این ذرات به ترکیبات اجازه می‌دهند که به راحتی از طریق معده وارد رگ‌های خونی شوند. بنابراین دسترسی زیستی آنها افزایش می‌یابد. این فناوری را در حال حاضر کارخانجات Shemen برای رسانش روغن فعال Canola وارد بازار كرده‌اند. این شرکت ادعا می‌کند می‌تواند جذب کلسترول را در کیسه صفرا تا ۱۴ درصد کاهش ‌دهد.
تعدادی از شرکت‌های شیمیایی در حال تحقیق روی افزودنی‌هایی هستند که بدن به راحتی قادر به جذب آنهاست و می‌توانند عمر مفید محصولات را افزایش دهند. سازمان بین‌المللی علوم رسانش زیستی در حال توسعه نانوحلزون‌هایی با ذرات پیچشی ۵۰ نانومتری است که می‌تواند در رسانش موادی مانند ویتامین‌ها، لیکوپن و اسیدهای چرب امگا۳ به سلول‌ها به کار گرفته شود، بدون اینکه در مزه و رنگ مواد غذایی تأثیر داشته باشد.
صنایع غذایی Kraft ، گروهی محقق از ۱۵ دانشگاه مختلف را تشکیل داده است تا با کمک فناوری‌نانو در مورد غذاها تحقیق کند. این مورد به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهد تا بین رنگ‌ها و طعم‌های مختلف انتخاب کنند. این مجمع همچنین روی توسعه مواد غذایی هوشمند با کمک نانوحسگرها، که باعث آزاد سازی تدریجی موادغذایی می‌شود فعالیت می‌کند. این نانوکپسول‌ها با مواد غذایی ترکیب می‌شوند ولی تا زمان مناسب، غیر فعال باقی می‌مانند. تمامی پیشرفت‌های جدید موجب می‌شود مفهوم موادغذایی کامل به واقعیت نزدیک شود و انتظار می‌رود تا فواید دیگری در زمینه انرژی، عملکردهای تشخیصی، کاربردهای ایمنی بهتر و توسعه محصولات ضد پیری برای مصرف‌کنندگان وجود داشته باشد.
امروزه از فناوری‌نانو در صنایع آرایشی مانند ساخت کرم‌های شفاف استفاده می‌شود. شرکت Royal BodyCare ، که از فناوری‌نانو علوم غذایی استفاده می‌کند محصول جدیدی با نام NanoCeuticals را وارد بازار کرده، که امولسیونی از ذرات با قطر کمتر از ۵ نانومتر است. این شرکت ادعا می‌کند این محصول، رادیکال‌های آزاد را جمع آوری کرده، آب رسانی را بالا برده و pH بدن را تنظیم می‌کند. این شرکت همچنین در حال توسعه نانوخوشه‌‌ها و پودرهای نانومقیاسی است که با مکمل‌های غذایی ترکیب می‌شوند و هنگام مصرف، قدرت جذب مواد غذایی را در بدن افزایش می‌دهند.
شرکت‌های مواد غذایی و آرایشی در همکاری با یکدیگر به دنبال سازوكاری جدید برای رسانش ویتامین‌ها و جذب مستقیم آنها از پوست هستند. به عنوان مثال شرکت Nestle که ۴۹ درصد از سهام شرکت LOreal را داراست در حال ساخت کرم ضدآفتاب شفافی است که ویتامین E را مستقیم به پوست می‌رساند. هدف، ساخت کرمی است که به وسیله پوست جذب شده و ویتامین E را به آرامی آزاد کند، به‌علاوه دارای ماده محافظ UV نیز باشد. در حال حاضرکرم‌های شفاف ضد UV در بازار موجود است و LOreal انتظار دارد این کرم با کاربردهای بیشتری بازار را در برگیرد.
رقیبان دیگر مانند Estee Lauder در حال ساخت فرمول‌های ضد پیری هستند که از نانوذرات تشکیل شده‌است. شرکت آمریکایی Oilfresh محصول نانوسرامیکی جدیدی وارد بازار کرده که مصرف روغن را در رستوران‌ها و غذاهای آماده به نصف کاهش می‌دهد. در نتیجه این تغییر بزرگ، از اکسید شدن محصولات به دلیل چربی‌های درون روغن جلوگیری می‌شود. مورد دیگر این است که روغن سریع‌تر داغ شده و انرژی مورد نیاز برای پخت کاهش می‌یابد.
اخیراً دانشگاه واخنینگن در هلند مرکز تحقیقاتی را تأسیس کرده که در حال کار روی کاربرد فناوری‌نانو در صنایع غذایی است. مرکز بیوفناوری واخنینگن روی موضوعات مختلفی ازجمله تشخیص کیفیت و سلامت غذا، پوشش‌دار کردن و رسانش مواد غذایی، میکرو و نانو ابزارهایی برای پردازش‌های شیمیایی و فیزیکی، زیست شناسی شیمیایی، نانو سم شناسی؛ بررسی فناوری و علم مشتری متمرکز شده است.
شرکت آلمانی Aquanova در حال توسعه فناوری جدیدی است که در آن دو ماده فعال را با هم ترکیب کرده و در کاهش چربی از طریق نانوحامل‌ها (کره‌های تو خالی با قطر ۳۰ نانومتر) استفاده می‌کند. این نوآوری می‌تواند دستیابی جدیدی در کنترل وزن باشد. شرکت NovaSOL Sustain از CoQ ۱۰ برای کاهش چربی اسیدهای alpha-lipoic برای رفع گرسنگی استفاده می‌کند. همچنین این فناوری برای تولید ویتامین‌هایی مانند SoluE که از دسته ویتامین‌های E است و همچنین SoluC که از دسته ویتامین‌های C است استفاده می‌شود.
در یک راهبرد متفاوت، شرکت Unilever در حال تولید بستنی‌های کم چرب با کاهش ذرات امولسیون است. با این عمل امید است که استفاده از این ذرات، میزان چربی را تا ۱۶ درصد کاهش دهد. مرکز بین‌المللی Woodrow Wilson ، مؤسسه بورس تحصیلی در آمریکا، پایگاه داده‌ای از مشتریان بازار فناوری‌نانو تشکیل داده و به‌زودی ۱۵ مورد را که ارتباط مستقیم با صنایع غذایی دارند اعلام می‌کند. این فهرست شامل nanocetical های تولیدی شرکت RBC ، Life Science و روغن فعال Canola ی صنایع Shemen و نانوذرات نقره استفاده شده در یخچال‌های شرکت LG می باشد.

۳. جمع بندی
امروزه بسیاری از کشورهای جهان به توانایی فناوری‌نانو در صنایع غذایی پی برده‌اند‌‌و در حال سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی در این راه هستند. مؤسسه استاندارد مواد‌غذایی انگلستان ( FSA ) تحقیقاتی برای دستیابی به توانایی استفاده از فناوری‌نانو در غذا و مشخصاً بسته‌بندی موادغذایی ترتیب داده‌است. همزمان دولت این کشور نیز بودجه بیشتری برای تحقیق و توسعه در زمینه غذاهای کاربردی، سیستم‌های رسانش موادغذایی و شیوه‌های بهینه‌سازی ظاهر غذا مانند رنگ، مزه و غلظت در نظرگرفته است.
با افزایش تأثیرات فناوری‌نانو بر صنایع‌غذایی و ورود این محصولات به بازار مصرف، اهمیت سلامت این دسته از مواد‌غذایی بیشتر مطرح می‌شود. این نیاز، پذیرش فناوری‌نانو را در کاربردهای حسی، قوی‌تر خواهد کرد، و از همین راه می‌توان به سلامت مواد‌غذایی پی برد. مانند نوعی فناوری که نزدیک بودن تاریخ انقضای مواد‌غذایی را به خریداران و فروشندگان هشدار می‌دهد. پوشش‌های ضد‌میکروبی جدید و کیف‌های پلاستیکی دفع‌کننده آلودگی، پیشرفت‌ چشمگیری در اطمینان از سلامت و امنیت غذاهای بسته‌بندی داشته‌اند. اگرچه توجه زیادی به کاربرد فناوری‌نانو در صنایع‌غذایی و محصولات موجود در بازار شده‌است، اما هنوز هم توانایی‌های استخراج نشده بسیاری مانند آنچه قبلاً در بحث دستکاری ژنتیکی عنوان شد وجود دارد.
مؤسسه علوم و فناوری غذایی انگلستان، در گزارشی نشان داده است كه داده‌های مطمئن بیشتری مورد نیاز است تا بتوان نانوذرات را به مواد غذایی اضافه کرد. این گزارش اشاره می‌کند که قوانین جاری، شرکت‌ها را برای برچسب‌زدن روی اقلامی که شامل نانوذرات است مجبور نمی‌کند، بنابراین بعید است مشتریان بتوانند از وجود این مواد در اقلام غذایی مطلع شوند. گفته می‌شود برای ارزیابی سلامت این دسته از مواد غذایی باید به تأثیرات اندازه ذرات در کنار نوع ترکیبات توجه شود.
گروه ETC همچنین برخی شركت‌های مهم و دانشگاه‌های فعال را به تلاش برای به انحصار درآوردن غذاهای جدید (از طریق ثبت اختراع) متهم كرده است؛ زیرا این كار می‌تواند برای بسیاری از شركت‌های مبتكر در كشورهای در حال توسعه، مانع ایجاد كند.
سرانجام روزی خواهد رسید که موادغذایی را از ترکیبات اتمی و مولکولی بسازیم که در اصطلاح به آن تولید مواد غذایی مولکولی گفته می‌شود. امروزه برخی گروه‌های تحقیقاتی در حال بررسی این زمینه هستند، ولی هنوز با روش بالا به پایین، استفاده از سلول‌ها بیش از مولکول‌هاست. اگر‌چه استفاده کاربردی از این فناوری در آینده دور امکان‌پذیر است، اما انتظار می‌رود این پیشرفت بتواند راه را برای گسترش پردازش محصولات غذایی مؤثرتر و ماندگارتر باز کند که در این صورت مواد خام کمتری مصرف شده و غذاهایی با کیفیت بالاتر به دست می‌آید.

جهان ریاضیات در فضای نانو
نويسنده: شاهرخ رضایی

این مقاله می‌کوشد تا چالش های دنیای ریاضیات را در مواجهه با دنیای شگفت‌انگیز نانو بررسی کند. به عبارت دیگر، ریاضیات در معماری پازل نانو چه نقشی خواهد داشت؟
علوم نانو و فناوری نانو بیانگر رهگذری به سوی دنیایی جدید هستند. سفر به اعماق سرزمین اتمها و مولکولها نوید دهندة اثراث اجتماعی شگفت‌انگیزی است: در علوم بنیادین، در فناوریهای نو، در طراحی مهندسی و تولیدات، در پزشکی و سلامت و در آموزش.
پیش‌بینی‌های گسترده در حوزه کشفیات جدید، چالش ها، درک مفاهیم، حتی هنوز فرم و محتوای موضوع، مه‌آلود و اسرارآمیز است. این مقاله می‌کوشد تا چالش های دنیای ریاضیات را در مواجهه با دنیای شگفت‌انگیز نانو بررسی کند. به عبارت دیگر، ریاضیات در معماری پازل نانو چه نقشی خواهد داشت:
همگان بر این نکته توافق دارند که پیشرفت های بزرگ، مستلزم تعامل میان مهندسان، ژنتیست‌ها، شیمیدانان، فیزیکدانان، داروسازان، ریاضیدانان و علوم رایانه ای ها است. شکاف میان علوم و فناوری، میان آموزش و پژوهش، میان دانشگاه و صنعت، میان صنعت و بازار بر مجموعه تأثیرگذار خواهد بود. دلایل کافی مبتنی بر فصل مشترک میان نظام های کلاسیک و فرهنگ ها موجود است.
این انقلاب علمی و فناورانه، منحصر به فرد است. این بدین معنی است که می‌بایستی نه تنها در بعد علمی، که در سایر ابعاد، نیز زیرساختهای بنیادین با حداکثر انعطاف پذیری در برابر تغییرات را پیش‌گویی و پیش‌بینی کنیم.
دانش ریاضیات به عنوان خط مقدم جبهة علم مطرح است. ویژگی بدیهی ریاضیات در علوم نانو «محاسبات علمی» است. محاسبات علمی در فناوریی که به عنوان فناوری انقلابی مطرح شده است. محاسبات علمی در طول، تفسیر آزمایشات، تهیة پیش‌بینی در مقیاس اتمی و مولکولی بر پایة تئوری کوانتومی و تئوریهای اتمی است.
همانگونه که ریاضیات زبان علم است، محاسبات، ابزاری عمومی علم و کاتالیزوری برای تعاملات عمیق‌تر میان ریاضیات و علوم است. یک تیم محاسبات، دربارة مدلشان و اثر محاسباتشان و تطبیق‌پذیری آن با واقعیت، به بحث می‌پردازند. «‌محاسبات» رابطی میان آزمایش و تئوری است. یک تئوری و یک مدل ریاضی، پیش نیاز محاسبات است و یک آزمایش تنها اعتبار بخش هر نوع تئوری، مدل و محاسبات است.
مدلهای ریاضی، ستونهای راهگشا به سوی بنیاد علم و تئوریهای پیش بین هستند. مدلها، رابطهایی بنیادین در پروسه‌های علمی هستند و اغلب اوقات در سیستم‌های آموزشی به فاز مدلسازی و محاسبات، تأکید کافی نمی‌شود. یک مدل ریاضی بر پایة فرمولاسیون معادلات و نامعادلات اصول بنیادین استوار است و مدل درگیر با درک کامل پیچیدگیهای مسأله نظیر، جرم، اندازة حرکت و توازن انرژی است. در هر سیستم فیزیکی واقعی تقریب اجازه داده می‌شود، تا مدل را در یک قالب قابل حل عرضه کنند. اکنون می‌توان مدل را یا به صورت «تحلیلی» و یا بصورت «عددی» حل کرد. در این حالت مدلسازی ریاضی یک پروسه پیچیده است،زیرا می‌بایستی دقت و کارآیی را همزمان نشان دهد.
در علوم نانو و فناوری نانو، مدلسازی نقش محوری را بر عهده دارد، بویژه وقتی که بخواهیم عملکرد ماکروسکوپی مواد را از طریق طراحی در مقیاس اتمی و مولکولی کنترل کنیم، آن هم در شرایطی که درجات آزادی زیاد باشد. مدلسازی ریاضی یک ضرورت در این فضای مه آلود است. تفسیر داده‌های آزمایشگاهی یک ضروت حتمی است. همچنین برای هدایت، تفسیر، بهینه سازی، توجیه رفتارهای آزمایشگاهی، مدلسازی ریاضی ضرورت می‌یابد.
یک مدل مؤثر، راه رسیدن به تولیدات جدید، درک جدید رفتارشناسی، را کوتاه می‌کند و تصحیح گر هوشمندی است که از نتایج گذشته درس می‌گیرد.
مدل سازی نه تنها ویژگی منحصر به فرد ریاضیات است بلکه پلی بسوی فرهنگهای مختلف علمی است.
تئوری در هر مرحله از توسعة علم، نقش محوری دارد، ارزیابی حساسیت مدل به شرایط پروسه‌های فیزیکی ، و حصول اطمینان از اینکه معادلات و الگوریتمهای محاسباتی با شرایط کنترل آزمایشگاهی سازگارند، از چالشهای مهم است. تئوری نهایتاً بسوی تعریف نتایج و درک فیزیکی سیستم، میل خواهد کرد و اغلب اوقات ریاضیات جدیدی لازم نیست تا به منظور رسیدن به درک رفتار، ساخته شود.
عبور از تئوریهای موجود ارزشمند است و اغلب نیز اتفاق می‌افتد. زمانی مدلها، مشابه سیستم‌های شناخته شده هستند که دقت ریاضی بالایی را داشته باشند اما در جهان شگفت ‌انگیز نانو، مدلهای مختلف و جدید، چالشهای جدی را در دانش ریاضیات پدید می‌آورند. تئوریهای جدید در مقیاسهای زمانی غیر قابل پیش‌گوئی اتفاق می‌افتند و تئوریهای قدرتمند در قالبهای عمیق شکل می‌گیرند. میان‌برهای اساسی لازم است تا شبیه‌سازی صورت گیرد:
طراحی در مقیاس اتمی و مولکولی، کنترل و بهینه سازی عملکرد مواد و ابزار آلات، و کارآیی شبیه‌سازی رفتار طبیعی، از مهمترین چالشها است. این چالش‌ها نوید دهندة برهم کنشهای کامل میان حوزه‌های مختلف ریاضی خواهد بود.
آثار اجتماعی این چالش‌ها زیاد و متنوع خواهد بود.
منافع حاصل از مشغولیت ریاضیدانان فعال، توازن با چالش های اصلی در زمینه رشد زیرساختهای ریاضیات، تغییرات در ساختار آموزش ریاضیات، از جمله آثار ورود ریاضیات به دنیای شگفت انگیز نانو خواهد بود.
جامعه ریاضی می‌بایستی اصلاح شود: تئوریهای بنیادین، ریاضیات میان رشته‌ای و ریاضیات محاسباتی و آموزش ریاضیات.
ریاضیات چه حوزه‌هایی را در بر خواهد گرفت؟ الگوریتمهای اصلی در حوزه‌های ریاضیات کاربردی و محاسباتی، علوم کامپیوتر، فیزیک آماری، نقش مرکزی و میان بر ساز را در حوزة نانو بر عهده خواهند داشت.
برای روشن شدن موضوع برخی از اثرات ریاضیات را در فرهنگ نانو بررسی می‌کنیم:
ـ روشهای انتگرال گیری سریع و چند قطبی سریع: اساسی و الزامی به منظور طراحی کدهای مدار ( White, Aluru, Senturia ) و انتگرال گیری به روش Ewala در کد نویسی در حوزه‌های شیمی کوانتوم و شیمی مولکولی ( Darden ۱۹۹۹)
ـ روشهای« تجزیه حوزه»، مورد استفاده در شبیه‌سازی گسترش فیلم تا رسیدن به وضوح نانوئی لایه‌های پیشرو مولکولی با مکانیک سیالات پیوسته در مقیاسهای ماکروسکوپیک ( Hadjiconstantinou )
ـ تسریع روشهای شبیه سازی دینامیک مولکولی ( Voter ۱۹۹۷)
ـ روشهای بهبود مش‌بندی تطبیق پذیر: کلید روشهای شبیه پیوسته که ترکیب کنندة مقیاسهای ماکروئی، مزوئی، اتمی ومدلهای مکانیک کوانتوم از طریق یک ابزار محاسباتی است ( Tadmor, Philips, Ortiz )
ـ روشهای پیگردی فصل مشترک: نظیر روش نشاندن مرحله‌ای Sethian, Osher که در کدهای قلم زنی و رسوب‌گیری جهت طراحی شبه رساناها مؤثرند ( Adalsteinsson, Sethian ) و نیز در کدگذاری به منظور رشد هم بافت ها ( Caflisch )
ـ روش های حداقل کردن انرژی هم بسته با روشهای بهینه سازی غیر خطی (المانی کلیدی برای کد کردن پروتیئن‌ها) ( Pierce& Giles )
ـ روش های کنترل (مؤثر در مدلسازی رشد لایه نازک‌ها ( Caflisch ))
ـ روش های چند شبکه‌بندی که امروزه در محاسبات ساختار الکترونی و سیالات ماکرومولکولی چند مقیاسی بکار گرفته شده است.
ـ روش های ساختار الکترونی پیشرفته ، به منظور هدایت پژوهشها به سمت ابر مولکولها ( Lee & Head – Gordon )
منبع: ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

چرا نانو مهم است؟

نويسنده:ابراهيم هنرمند

علم نانو مطالعه اصول اوليه مولکول ها وساختارهايي با ابعاد 1 تا 100 نانومتر است. اما چه چيزي در مقياس نانومتري وجود دارد که يک فناوري برپايه آن بنا شده است؟
مثالي را براي درک بيشتر مقياس نانوبا هم مرور مي کنيم. يک مکعب از جنس طلا رل با ابعاد 5 سانتي متر در نظر بگيريد. حال اين مکعب را از طول، عرض و ارتفاع نصف مي کنيم تا به 8 مکعب کوچک تر به دست آيد.
خواص اين مکعب هاي کوچک، دقيقاً مشابه خواص مکعب اوليه است (به جز ارزش مادي)، يعني هر يک از 8 مکعب به دست آمده هنوز طلا است: زرد، درخشنده، نرم و سنگين است، همچنين هادي الکتريسيته بوده ونقطه ذوب آنها همان نقطه ذوب طلاست. حال تصور کنيد يکي از اين مکعب ها را نيز با همان روش قبل به 8 مکعب کوچک تر تقسيم کنيم. مکعب هاي به دست آمده نيز خواص مکعب اوليه را دارا هستند و باز هم تقسيم کردن را ادامه دهيم، به طوري که نتوانيم تکه هاي ريز شده طلا را با چشم غيرمسلح ببينيم، باز هم خواص فيزيکي و شيميايي تکه هاي طلا بدون تغيير باقي مي مانند. اما اگر ريزشدن ذرات طلا را ادامه دهيم تا به مقياس نانو برسيم، تقريباً همه چيز تغيير مي کند. همه ما طلاي زينتي را با رنگ زرد درخشنده اش مي شناسيم. اما آيا مي دانيد مي توان طلاي قرمز نيز توليد کرد؟ مثلاً نانو ذرات طلا بسته به اندازه ذرات خود مي تواند قرمز، آبي متمايل به سبز، نارنجي يا حتي ارغواني به نظر برسند! توليد نانوذرات طلاي قرمز هر هفته در بخش شيمي تجزيه دانشگاه کاشان در حال انجام است.
با نگاه ميکروسکوپي مي توان مشاهده کرد که يک نانو نقطه طلا، قرمز به نظر مي رسد. اما اگر همين ذرات به هم متصل شوند، رنگشان به زرد تبديل مي شود. اگر تعداد کافي نانو نقاط طلا به هم نزديک شوند، به طوري که با هم ترکيب نشوند، مي توان رنگ قرمز طلا را با چشم غير مسلح ديد. با رسيدن به مقياس نانو نه تنها رنگ ذرات تغيير مي کند، بلکه خواصي مانند نقطه ذوب، خواص مغناطيسي و ... نيز دچار تحول مي شود.

نانوتکنولوژي چيست ؟
مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : راسخون

تعريف نانوتکنولوژي :
واژه ي نانوتکنولوژي ( Nanotechnology) در سال هاي اخير به صورت مکرر در رسانه ها گفته شده است . منابع خبري اعلام مي کنند که نانوتکنولوژي انقلاب علمي آينده است . نانوتکنولوژي وعده هايي از جمله : کامپيوترهاي سريع تر ، درمان سرطان ها و حل بحران انرژي را به ما مي دهند ؛ اما نانوتکنولوژي دقيقاً به چه معناست ؟ و آيا اين تکنولوژي توان برآورده کردن اين وعده ها را دارد ؟
تعريف رسمي نانوتکنولوژي که به وسيله ي ( National Nanotechnology Initiative NNI ) ارائه شده است به شرح زير است :
نانوتکنولوژي فهم و کنترل مواد در ابعاد بين 1 تا 100 نانومتر است . که در ابعاد 1 ـ 100 نانومتر ، پديده هاي منحصر به فرد ، انسان را قادر مي سازند تا کاربردهاي جديدي ابداع کند . نانوتکنولوژي شامل علم در ابعاد نانو ، مهندسي و تکنولوژي مي شود .
نانوتکنولوژي با عکسبرداري ، اندازه گيري ، مدل سازي و دستکاري مواد در اين طول ابعاد ( 1 تا 100 نانومتر ) درگير است .
تعريف NNI را مي توان به سه بخش اساسي تقسيم کرد :
1 ـ نانوتکنولوژي بسيار بسيار کوچک است .
هنگامي که چيزي در ابعاد نانو باشد ؛ ابعاد آن حداقل در يک بعد در حد 1 تا 100 نانومتر است . بنابراين به علت آن اين مواد بسيار بسيار کوچک هستند با چشم ديده نمي شوند . حتي با ميکروسکوپ هاي نوري خاص نيز ديده نمي شوند . دانشمندان براي ديدن اين مواد مجبور به استفاده از وسايلي از جمله ميکروسکوپ هاي پروبي روبشي ( SPM ) هستند . بعضي از مواد همواره در ابعاد نانو هستند . مثلاً مولکولهاي آب و يا اتم هاي سيلسيم ( Silicon) .
به هر حال ، اخيراً دانشمندان توانسته اند از ابزارهاي جديد استفاده کنند و با پروسه هايي به توليد و دستکاري عموم مواد بپردازند و در اين پروسه از ابعاد بزرگ به اين ابعاد ( نانو ) برسند . مثلاً توليد نانو ذرات Tio2 ( تيتانيم اکسيد ) .
2 ـ در ابعاد نانو ، مواد از خود رفتارهاي متفاوتي نشان مي دهند .
در ابعاد نانو ، بسياري از مواد معمولي از خود خواص غير عادي ارائه مي دهند به عنوان مثال مقاومت الکتريکي فوق العاده پايين ، نقطه ذوب پايين تر و يا واکنش شيميايي سريع تر براي مثال ، در ابعاد ماکرو ، طلا ( Au) درخشنده و زردرنگ است در حالي که زماني که ابعاد آن به 24 نانومتر ( nm) برسد به رنگ قرمز در مي آيد . ( شکل 1 ) . طلا با اندازه ي ذرات ريزتر با نور واکنش متفاوت تري دارد ، بنابراين ذرات طلا رنگ هاي مختلفي را با توجه به عواملي آشکار مي کند . اين عوامل اندازه ي نانو ذرات طلا و همچنين شکل اين ذرات است . که با توجه به آنها رنگ نانو ذرات طلا، قرمز ، زرد و يا آبي مي باشد .
مثال ديگر از نانوذرات که به نظر مي رسد مطابقتي با ابعاد ماکروسکوپيک خود ندارند موادي است که در کرم هاي ضد آفتاب کاربرد دارد. اکسيد تيتانيم ( Tio2) براي کرم هاي ضد آفتاب و موانع نور خورشيد مورد استفاده قرار مي گيرد . اين مواد يکي از اجزايي است که باعث مي شود رنگ کرم سفيد به نظر برسد . توليدکنندگان اکنون از نانوذرات براي توليد کرم ها و ژل هاي شفاف استفاده مي کنند که علت آن شفافيت و بي رنگي نانوذرات Tio2 است .

خواص ديگر مواد نيز هنگامي که در ابعاد نانو هستند تغيير مي کند . براي مثال آلومينيوم ( AL) فلزي نرم و درخشان است که براي توليد قوطي هاي ليموناد مورد استفاده قرار مي گيرد . در ابعاد نانو ، آلومينيوم بسيار واکنش پذير و قابليت انفجار دارد . نانوذرات بسيار واکنش پذيرند زيرا وسعت سطح آنها از حالت ماکروسکوپيک بيشتر است.
3 ) محقيقن مي خواهند اين رفتارهاي متفاوت و غير عادي مواد در ابعاد نانو را براي ايجاد تکنولوژي جديد تحت کنترل قرار دهند .
با تحت کنترل قرار دادن اين رفتارهاي جديد ، محقيقن در رشته هاي مختلف آرزوي ساخت وسايل جديد از توليدات روزانه مثل جوراب هاي آنتي باکتريال و راکت هاي تنيس سبکتر گرفته تا سلولهاي خورشيدي و کامپيوترهاي سريع تر و کوچکتر يا درمان هاي دارويي گزينشي را دارند .
بسياري از دانشمندان فکر مي کنند که احتمال تحقق اين آرزوها بالا باشد .

آيا ipod Nano نمونه اي از نانوتکنولوژي است ؟

توليدات توسعه يافته با فناوري نانو هم اکنون در اکثر مراکز فروش يافت مي شوند . ولي در هيچ يک از اين توليدات ، اتيکت « نانو » که مشخص کننده ي بهره گيري توليد کننده از فناوري نانوتکنولوژي است وجود ندارد . بعضي از توليد کنندگان از پيشوند « نانو » براي ايجاد ارتباط بين اندازه ي کوچک توليدات منحصر بفردشان استفاده مي کنند که اين بيشتر براي ايجاد پتانسيل فروش بيشتر است . به علاوه قصد آنها ، فروش بيشتر اين وسيله با توجه به شور و اشتياقي است که در زمينه ي فناوري نانوتکنولوژي به راه افتاده است . براي مثال توليد کنندگان ماشين در هندوستان اخيراً Tata Nano را به بازار فروش اتومبيل ارائه کرده اند ( شکل 2 ) . اين ماشين به طور يقين در ابعاد نانو ساخته نشده است . اما طراحان نام نانو را براي اين توليدشان استفاده کردند تا به علاقه مندان خريد اين خودروها بگويند که اين خودرو با فناوري بالا و اندازه ي کوچک ساخته شده است .

البته اين تنها مثال براي اين مورد در بازار امروزي نيست . مثلاً پخش کننده هاي موسيقي ( MP3 يا MP4 ) با نام Ipod Nano توليد شده اند که اين پخش کننده هاي موسيقي در ابعاد نانومتري نيستند اما ابعادشان از ipod هاي توليدي توسط اين کمپاني کوچکترند ( شکل 3 ) به هر حال ، اين وسايل از نانوتکنولوژي در تراشه ها و مدارهاي الکترونيکي استفاده شده است همانگونه که در مدارات الکتريکي و تراشه هاي لپ تاپ شما از اين فناوري بهره برداري شده است . توليداتي نيز وجود دارند که در آنها از نانوتکنولوژي استفاده شده است . اگر چه در نام اين وسايل و توليدات علامتي نيامده است ! يکي از اتفاق هاي معمولي استفاده از نانوذرات نقره در توليدات مصرفي ( Consumer Products) است . نقره به طور ذاتي آنتي باکتريال است . براي کنترل عوامل باکتريايي از زمان هاي قديم استفاده مي شده است . با وارد کردن نقره با ابعاد در حد نانو در منسوجات ، پلاستيک ها و وسايل خانه ( شکل 4 ) ، توليد کنندگان مي توانند موجب کشته شدن باکتريها با مقدار کمي نقره شوند بدون اينکه خواص ديگر اين توليدات تحت شجاع قرار گيرد .

به هر حال ، مسئله ي استفاده از نقره در اين وسايل يک ريسک تلقي مي شود زيرا هنوز مشخص نشده است که آيا نانوذرات نقره مقاومت باکتريها را در مقابل عوامل آنتي باکتريال بالا مي برند يا نه ؟
پروژه هاي بخش نانوتکنولوژي باعث توليد محصولاتي شده است که به طور واقعي در آنها از نانوتکنولوژي بهره برده شده است . به هر حال به خاطر طبيعت اختصاصي بودن اين توليدات و داشتن حالت راز مانند : توضيحاتي دقيق در مورد نحوه ي استفاده از نانوتکنولوژي در اين وسايل موجود نمي باشد .

نتيجه ي بحث :
نانوتکنولوژي به عنوان « تکنولوژي بزرگ آينده » لقب گرفته است . اين تکنولوژي منادي راه کارهايي جهت درمان سرطان ها ، استقلال انرژي ، توسعه ي وسايل الکترونيکي و تهيه ي آب سالم براي کشورهاي جهان سوم است . با يک چنين کاربردهاي گوناگون ، نانوتکنولوژي ظرفيت تغيير دنيايي که ما در آن زندگي مي کنيم را دارا مي باشد همانگونه که کامپيوترجامعه را در 30 سال گذشته تغيير داده است . اما براي به انجام رساندن چنين شاهکاري دانشمندان و مهندسين بخش نانو هنوز تحقيقات بسياري پيش رو دارند و بايد بفهمند که مواد با ابعاد نانو چگونه کار مي کنند و چگونه مي توان آنها را توليد کرد . البته من معتقدم که کاربردهاي نانوتکنولوژي بيشتر در فروشگاه ها ديده مي شوند تا در جاهاي ديگر .
مثالي از تحقيقات در حال انجام مشارکت بين پروفسور Naomi Halas و Jennifer West در دانگشاه Rice است . اين دو پژوهشگر در حال بررسي روش هاي درماني سرطان به وسيله ي نانو شل هاي طلا هستند که البته اين تحقيق هنوز در مرحله ي تحقيق و پژوهش است . اما ممکن است به واسطه ي آن بسياري از روش هاي درماني جديد در آينده به وجود آيد .

كاربردهاي متنوع نانوذرات

يكي از شاخه­هاي مهم نانومواد، نانوذرات هستند كه خود شامل نانوپودرهاي فلزي، نانوذرات بين­فلزي، نانوكامپوزيت­ها و غيره هستند. در مطلب زير كه از سايت

کد:

---

www.nanoscale.com

---

استخراج شده است، كاربردهاي متنوعي از نانوذرات بيان شده است:
دكتر استنلي ويليام، عضو شركت HP و رئيس مركز علوم كوانتوم، در يك همايش نانوتكنولوژي اظهار داشت: "نانوتكنولوژي بايد بتواند در بخش غيرفعال خود به سمت تجاري­سازي پيش رود". وي نانوتكنولوژي را به دو بخش غيرفعال و فعال تقسيم كرده است:

بخش فعال: انتقال و تبادل اطلاعات ميان يك نانوساختار و محيط اطراف آن

بخش غيرفعال: انجام وظيفه توسط نانوساختار

به عقيده وي، پيشرفت­هاي تجاري در بخش غيرفعال نانوتكنولوژي باعث مي‌شود كه شركت­ها با كسب تجربه در اين فناوري بتوانند حركتي مفيد و سودآور به سمت بخش فعال آن داشته باشند [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] .

شركت نانوتكنولوژيز، يكي از شركت­هاي نوپا است كه در بخش غيرفعال نانوتكنولوژي، پيشرفت­هاي قابل ملاحظه‌اي داشته است. فرآيندهاي اين شركت، ساده، تكرارپذير، قابل گسترش و قابل تعميم است و نانوپودرهاي توليدي آنها از درجه خلوص بالايي برخوردار بوده و توزيع اندازه در آنها بسيار محدود است.

انعطاف‌پذيري فرآيندهاي اين شركت مي‌تواند پتانسيل بالايي را در توليد انواع مختلفي از نانوذرات از قبيل اكسيدها، نيتريدها، بوريدها، كربيدها، كربونيتريدها، تركيبات درون فلزي، فولرين‌ها، نانوكامپوزيت­ها و پودرهاي نانوفلزي توليد كند. حتي توليد يكسري مواد خارجي از قبيل الماس و كربن بي‌شكل نيز توسط اين فرآيندها مقدور مي‌باشد. موادي كه تاكنون در اين شركت توليد شده‌اند عبارتند از نانوذرات نيتريد آلومينيم، آلومينا، آلومينيوم، نقره و تيتانيا.

نانوذرات توليدي اين شركت، در حال حاضر داراي مشتري­هاي گوناگوني از بخش­هاي مختلف صنعتي مي‌باشند. از جمله مواردي كه نظر بخش­هاي صنعتي به كاربرد اين مواد جلب شده است، مي‌توان به مواد الكترونيك، پوششهاي نوري شفاف، مواد فتوولتاتيك، ديسك‌گردانها، مواد انرژي‌زا، نيمه‌هادي­ها و عوامل باكتري­كش اشاره كرد:

مواد الكترونيك: دستيابي به قابليتهاي جديد اجرايي در الكترونيك, عمدتاً بستگي به مواد پيشرفته‌اي دارد كه امكان ظريف‌كاري بر روي سيستم و يا قطعات ساخته‌شده از آنها زياد باشد. نانوذرات كريستالي موادي چون: نيتريد آلومينيوم، بور و نقره، از جمله موادي هستند كه به خاطر كاربردشان در مدارهاي الكترونيك و كنترل حرارت به كثرت از طرف مشتريان درخواست مي‌شوند [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] .

پوشش­هاي نوري شفاف: نانوآلومينا كه به صورت پراكنده در حلال درآمده و بر روي لنزها و صفحه‌هاي نمايش مي‌نشيند, يك پوشش حفاظتي ايجاد مي‌كند كه علاوه بر گسترش قابليتهاي فعلي باعث افزايش كاربردهاي صفحه­هاي نمايش و لنزهاي پلي‌كربنات سبك و ارزان مي­شود.

فتوولتاتيك (توليد الكتريسيته بر اثر تابش): شركت فناوري گراتزل توانسته است با استفاده از خميرهاي نانوتيتانيا و شيشه‌هاي معمولي يا فيلمهاي پليمري نازك و تركيب آنها با رنگهاي مونومري, يكسري پيلهاي خورشيدي جديد را توليد كند كه مانند پيل­هاي خورشيدي فعلي داراي اثر فتوولتاتيكي بوده ولي هزينه كمتري صرف مي‌كنند.

مواد انرژي‌زا: نانوكريستال آلومينيوم باعث سوزاندن سريع و مؤثر سوخت (پيشران) جامد نسبت به ديگر پودرهاي موجود مي‌شود. به همين دليل از اين ماده مي‌توان در سوخت موشك و همچنين در رنگهاي بدون سرب استفاده فراوان كرد.

ساخت نيمه‌هادي­ها: استفاده از نانوذرات تيتانيا و آلومينا در دوغاب­هاي صيقل­دهي شيميايي- مكانيكي CMP)) باعث بوجود آمدن ويفرهايي با سطوح صاف‌تر، كارايي بالاتر و قابليت تميزكنندگي آسانتر در مقايسه با استفاده از دوغاب­هاي معمولي مي‌شود.

ديسك‌ گردان­ها: انتظار مي‌رود ظرفيت ذخيره­سازي اطلاعات در ديسك‌گردان­ها تا 5 سال آينده، ساليانه 60 درصد افزايش داشته و در سال 2002 به 20 گيگابايت درهر اينچ برسد. اين افزايش باعث اثرگذاري بر روي تمام جنبه‌هاي سيستم­هاي ذخيره اطلاعات از قبيل مدلسازي ديسك‌گردان­ها، مواد، ساخت، اندازه‌گيري و اصطكاك‌شناسي مي‌شود. نانوذرات اكسيدآهن ازجمله موادي هستند كه مي‌توان از آنها به عنوان مواد كليدي جهت افزايش ظرفيت مغناطيسي استفاده كرد [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] .

عوامل ضد باكتري: نقره از موادي است كه از قديم در مبارزه با باكتري­ها بدليل توقف تبادل اكسيژن در آنها معروف بوده است. تجربه ثابت كرده است كه نانوذرات نقره باعث افزايش اين خاصيت مي‌شود. اين ماده، اكنون در پوشش زخمهاي خاص براي جلوگيري از ورود باكتري­ها به بدن استفاده مي‌شود. از ديگر نانوذرات، به عنوان دارو براي تزريق به قسمتهاي آسيب ديده بدن با كاهش ريسك بروز اثرات جانبي استفاده مي‌شود.

جاي پاي نانو تکنولوژي در علوم


نانوتکنولوژي مرطوب
اين شاخه به مطالعه سيستم هاي زنده‌اي مي ‌پردازد که اساسا در محيط هاي آبي وجود دارند. در اين شاخه ساختمان مواد ژنتيکي، غشاها و ساير ترکيبات سلولي در مقياس نانومتر مورد مطالعه قرار مي‌ گيرد. پژوهشگران موفق شده‌اند ساختارهاي زيستي فراواني توليد کنند که نحوه عملکرد آن ها در مقياس نانويي کنترل مي‌ شود. اين شاخه در برگيرنده علوم پزشکي، دارويي و بطور کلي علوم و روش هاي مرتبط با زيست فناوري است.
نانوتکنولوژي خشک
اين شاخه از علوم پايه شيمي و فيزيک مشتق مي ‌شود و به مطالعه تشکيل ساختار هاي کربني، سيليکون و مواد غير آلي و فلزي مي ‌پردازد. نکته قابل توجه اين است که الکترون هاي آزاد که در فناوري مرطوب موجب انتقال مواد و انجام واکنش ها مي‌ گردند، در فناوري خشک خصوصيات فيزيکي ماده را پديد مي ‌آورند. در نانو تکنولوژي خشک کاربرد مواد نانويي در الکترونيک، مغناطيس و ابزارهاي نوري مورد مطالعه قرار مي ‌گيرد. براي مثال طراحي و ساختن ميکروسکوپ هايي که بتوان با استفاده از آن ها مواد را در ابعاد نانومتر ديد.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

نانوتکنولوژي محاسبه‌اي
در بسياري از مواقع ابزار آزمايشگاهي موجود براي انجام برخي از آزمايش ها در مقياس نانومتر مناسب نيستند و يا آن که انجام اين آزمايش ها بسيار گران تمام مي شود. در اين حالت از رايانه‌ ها براي شبيه سازي فرآيندها و واکنش هاي اتم ها و مولکول ها استفاده مي‌ شود. شناختي که بوسيله محاسبه بدست مي ‌آيد، باعث مي‌ شود که زمان پيشرفت نانو تکنولوژي خشک به چند دهه کاهش يابد و البته تأثير مهمي در نانو تکنولوژي مرطوب نيز خواهد داشت.
فناوري نانو و فيزيک الکترونيک

سازندگان قطعات الکترونيکي علاقه بسياري به کوچک کردن ابعاد و بالا بردن قدرت محاسبات اين تجهيزات دارند. اين امر با استفاده از فناوري هاي معمولي، تقريبا به مرز نهايي خود نزديک شده است. اما فناوري نانو تکنولوژي، راه ديگري را پيش پا گذاشته است، که مي ‌تواند دنياي الکترونيک را دگرگون سازد. از جمله وسايل الکترونيکي که با استفاده از اين فناوري ساخته شده است، مي ‌توان به ديود‌هاي نوري، رايانه‌هاي کوانتومي و ترانزيستورهاي نانو اشاره کرد. ساخت ديودهاي نوري با استفاده از مواد نانو موجب مي ‌شود تا 80 درصد در هزينه برق صرفه جويي شود. يک گروه ديگر از محققان روش تازه‌اي موسوم به الگوي انتقال ابر شبکه استفاده کرده‌اند، که ساخت نيم هادي هاي نانومتري به قطر تنها 8 نانومتر را امکان پذير مي‌ سازد.
نانو تکنولوژي در صنعت
توپ هاي تنيسي که با استفاده از کربن 60 ساخته شده و روانه بازار گرديده سبک تر و مستحکم تر از توپ هاي عادي است. شرکت هاي ديگر با استفاده از مواد نانو پارچه‌ هايي توليد کرده‌اند که با يک بار تکان دادن آن ها مي ‌توان حالت اتوي اوليه را به آن ها بازگرداند و همه چين و چروک هايشان را از بين برد. با همين يک بار تکان همه گرد و خاکي که به اين پارچه ‌ها جذب شده‌اند نيز پاک مي‌ شوند. هم چنين با استفاده از فناوري نانو ليوان هايي توليد شده که قابليت خود تميز کردن دارند.
فناوري نانو و زيست شناسي
يک گروه از محققان سرگرم تکميل فيبرهاي نوري در ابعاد نانو هستند که قادر خواهند بود مولکول هاي مورد نظر را شناسايي کنند. گروهي نيز دستگاهي را در دست ساخت دارند که با استفاده از ذرات طلا مي‌ تواند پروتئين هاي معيني را فعال سازد يا از کار بيندازد. به اعتقاد پژوهشگران براي آن که بتوان از سلول ها در حين فعاليت واقعي آن ها اطلاعات مناسب بدست آورد، بايد شيوه تنظيم آزمايش ها را مورد تجديد نظر اساسي قرار داد. سلول ها در فعاليت طبيعي خود امور مختلفي را به انجام مي‌ رسانند. از جمله اين امور مي ‌توان به انتقال اطلاعات و علائم و داده‌ ها ميان خود، رد و بدل کردن مواد غذايي و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حياتي اشاره کرد. گروه ديگري از محققان تا آن جا پيش رفته‌اند که درصد هستند با مواد نانو پوشش هاي مناسبي توليد کنند که سلول هاي حاوي ويروس هاي خطرناک نظير ويروس ايدز را در خود مي ‌پوشاند و مانع خروج آن ها مي ‌شود.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

نانو تکنولوژي در پزشکي
محققان با استفاده از فناوري نانو در حال ساختن کپسول هايي با ابعاد نانومتر هستند که علاوه بر اندازه غير قابل تصور، قدرت تشخيص بافت هاي مريض را داشته و دقيقا روي اين بافت قرار گرفته و مقدار داروي لازم را به آن ها مي ‌رساند. اين پديده را دارو‌سازي مي ‌گويند. در آزمايشي که به تازگي به انجام رسيده نشان داده شده است که حمله به سلول هاي سرطاني با استفاده از ذرات نانو 100 برابر بازده عمل را افزايش مي‌ دهد. هم چنين با استتفاده از فناوري نانو، نوارهاي زخم بندي هوشمندي درست شده است، که به محض مشاهده نخستين علائم عفونت در مقياس مولکولي، پزشکان را مطلع مي‌ سازد.
فناوري نانو و شيمي
با استفاده از فناوري نانو مي ‌توان کاتاليزور‌‌هايي با نسبت سطح به حجم بسيار بالا توليد کرده و راندمان را در واحد‌هاي شيميايي به ميزان بسيار زيادي افزايش داد. سلول هاي خورشيدي کوانتومي، استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت تميز، نسل جديد باتري ها، پوشش هاي بسيار مقاوم فرنگ هاي بي نياز از شستشو و تحولات خارق العاده ديگر در دنياي شيمي و توليد از کاربرد‌‌هاي فناوري نانو در شيمي مي‌ باشد.

تأثير انداز‌ه‌ي نانوذرات در درمان بافت‌هاي سلولي
نانوذرات در آينده نقش مهمي در توسعه‌ي روش‌‌هاي تشخيصي و درماني سلول‌هاي سرطاني خواهند داشت. به‌همين منظور محققان فناوري ماساچوست و مركز پزشكي هاروارد، نانوذرات فلئورسنتي با اندازه‌ي بين 150-10 نانومتر را سنتز نمودند.

نانوذرات مورد استفاده در روش‌‌هاي زيست‌پزشكي، بايد داراي اندازه‌ي بهينه‌اي باشند. بررسي عملكرد ذرات با اندازه‌هاي مختلف در بافت زنده انجام شده‌است. براي اين منظور از ذرات شيميايي با اندازه‌هاي مختلف استفاده مي‌شود و البته براي بررسي عملكرد آنها، بايد از روش‌‌هايي استفاده شود كه همزمان با ذرات با اندازه‌هاي مختلف قابل شناسايي باشند. اين ذرات بايد زيست‌سازگار بوده و به همديگر يا به پروتئين‌ها جذب نشوند.

محققان يكسري از نانوذرات با اندازه‌هاي مختلف را سنتز نموده‌اند كه به‌وسيله‌ي نقاط كوانتومي فلئورسنتي قابل مشاهده هستند. سنتز انتخابي نقاط كوانتومي با اندازه‌هاي مختلف، امكان تهيه‌ي نقاط كوانتومي فلئورسنتي را در طول‌موج‌هاي مختلف فراهم مي‌سازد كه به‌طور همزمان قابل شناسايي و قابل تميز از يكديگر هستند.

دانشمندان به‌منظور سنتز نانوذرات با اندازه هاي مختلف، نقاط كوانتومي كادميم سلنيد/كادميم سولفيد را با ليگاندهاي پليمري از قبيل دي‌اكسيد سيليكون و پلي‌اتيلن‌گليكول را پوشش داده‌اند. براي هر اندازه از نانوذرات، نقاط كوانتومي انتخاب مي‌شوند كه در طول موج‌هاي مختلف، نورهاي مختلفي را ساطع مي‌كنند.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] دندان‌هاي سياه‌رنگ كيتون(Chito N ، براي تراشيدن جلبك‌هاي رشديافته بر روي صخره‌ها: اين دندان‌ها با مواد زيست‌معدني كه شامل نانوكامپوزيت الياف كيتيني و مگنتيت مي‌باشد، پوشش داده شده‌است.
محققان مخلوطي از نانوذرات با اندازه‌هاي 12، 60 و 125 نانومتر را به سلول‌هاي سرطاني موش تزريق وريدي انجام دادند. براي رديابي اين نانوذرات از ميكروسكوپ فلئورسنتي استفاده شد. ذرات 12 نانومتري به‌راحتي از داخل رگ به بافت نفوذ كرده، در سطح آن منتشر مي‌شود. ذرات 60 نانومتري از ديواره‌ي رگ‌ها عبور، ولي از ديواره‌ي رگ‌هاي به ضخامت 10 ميكرومتر نتوانستند عبور كنند. هيچ كدام از ذرات 125 نانومتري نتوانستند از ديواره‌ي رگ‌ها عبور كنند.

نتايج تحقيقات در مجله‌ي Journal Angewandte Chemie گزارش شده‌است.

بازار فناوري ‌نانو در دارورساني



موسسه ريپورت لينکر ("Reportlinker") به‌تازگي گزارش جديدي با عنوان: «فناوري‌نانو در دارورساني- توسعه‌هاي فناورانه و رويکردهاي نوين براي بهره‌مندي از حداکثر پتانسيل آن» منتشر کرده است.

گزارش جديد، در برگيرنده داده‌ها، اطلاعات و تجزيه و تحليل‌هاي محوري در زمينه روندهاي اصلي و مسائل مربوط به فناوري‌نانو در بازار دارورساني است. گزارش مذکور، ديدگاه جامعي نسبت به نقش فناوري‌نانو در حوزه دارورساني ارائه مي‌کند. همچنين گزارش فوق، به طور کامل ويژگي‌هاي بازاري فناوري‌نانو در بازار دارورساني، بر اساس اندازه بازار، بخش‌بندي بر اساس مناطق جغرافيايي کليدي و پيش‌ران‌ها و موانع اصلي بازار را پوشش داده است.

به طور کلي محورهاي اصلي گزارش جديد عبارتند از:

• بررسي کامل فناوري‌نانو در صنعت داروسازي براساس استفاده، کارايي و محدوديت؛

• داده‌هاي تحليلي بازار از سال 2007 و پيش‌بيني آن تا سال 2016 بر اساس بخش‌ها و مناطق جغرافيايي؛

• پيش‌ران‌ها و محدوديت‌هاي اصلي بازار که فناوري‌نانو را در بازار دارورساني شکل مي‌دهند؛

• تجزيه و تحليل جايگاه رقابتي به همراه تعيين جايگاه رقابتي شرکت‌هاي پيشگام؛

• تجزيه و تحليل معاملات مشارکتي انجام گرفته در سال‌هاي 2006 تا 2010؛

• تجزيه و تحليل معاملات خريد و ادغام بين سال‌هاي 2005 تا 2010 همراه با بخش‌بندي براساس ارزش جغرافيايي و شرکت‌ها.

گزارش فوق با افزايش توانايي تصميم‌گيري، دربرگيرنده مزيت‌هاي گسترده‌ زير است:

• توسعه راهبردهاي بهتر براي فناوري‌نانو در بازار دارورساني براساس درک و پويايي بازار؛

• توسعه راهبردهاي ورود و توسعه بازار از طريق شناسايي حوزه‌هاي کليدي توسعه؛

• شناسايي شاخص‌هاي شکل‌دهنده فناوري‌نانو در دارورساني؛ و

• درک روندهاي فناورانه در بازار؛

ابداع روشي براي ايجاد شکاف باندي در گرافن



فلورين بانهارت، يکي از دانشمندان دانشگاه استراسبورگ فرانسه مي‌گويد: «گرافن مي‌تواند در حوزه نانوالکترونيک کاربردهاي بسيار جذابي داشته باشد، اما در اين ماده شکاف باندي وجود ندارد. اين يک مشکل شناخته شده است. کليدزني که در ابزارهاي الکترونيکي لازم است، بدون وجود شکاف باندي مشکل خواهد بود».

او بر اين باور است که راه‌حلي براي اين مشکل وجود دارد. «همه مي‌خواهند با ايجاد ويژگي‌هاي متفاوت در گرافن شکاف باندي ايجاد کرده و اين مشکل را حل کنند. راه‌حل ما بر وارد کردن اتم‌هاي فلزي متصل به نقايص ساختاري بازساخته در گرافن مبتني است».

بانهارت با همکاري محققاني از دانشگاه استراسبورگ، دانشگاه هلسينکي و دانشگاه آلاتو در فنلاند، و دانشگاه جنوب شرقي در چين روشي براي تغيير ويژگي‌هاي گرافن ابداع کرده است. نتايج کار اين پژوهشگران در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

او توضيح مي‌دهد: «ايده اصلي، متصل کردن چيزي به سطح گرافن و تغيير برخي از ويژگي‌هاي آن به منظور ايجاد شکاف باندي است. مي‌توانيم با ايجاد نقايص ساختاري بازساخته، فعاليت گرافن را افزايش داده و اتم‌هاي فلزي را به محکمي به آن متصل نماييم؛ بدين ترتيب ممکن است شکاف باندي ايجاد شود».

بانهارت و همکارانش ابتدا لايه‌هايي از گرافن را توليد کرده و سپس در آنها آسيب‌هاي ساختاري ايجاد کردند. او مي‌گويد: «ما از تابش الکتروني براي ايجاد نقص ساختاري در گرافن بهره برديم. در اين پژوهش اتم‌هاي تنگستن را به گرافن متصل کرديم. نقايص ساختاري ايجاد شده امکان به دام افتادن اتم‌هاي تنگستن و ايجاد باندهاي پايدار را فراهم مي‌کند».

نقايص بازساخته فعاليت مشاهده شده در گرافن را افزايش داده و امکان اتصال به اتم‌هاي ديگر را ايجاد مي‌کند. سطح گرافن به طور معمول غيرفعال است، اما نقايصي همچون حلقه‌هاي پنج‌ضلعي يا هفت‌ضلعي فعاليت آن را افزايش مي‌دهند. در اين حالت شاهد افزايش فعاليت شيميايي گرافن هستيم».

با وجودي که بانهارت و همکارانش اميدوارند که اين کار در نهايت به ايجاد ابزارهاي الکترونيکي با استفاده از گرافن منتهي شود، اما او اشاره مي‌کند که هنوز شواهد علمي روشني براي ايجاد شکاف باندي وجود ندارد. او توضيح مي‌دهد: «ولي احتمالاً تنگستن ماده مناسبي براي اين کار نيست. ما به اين دليل تنگستن را انتخاب کرديم که بزرگ است و مشاهده به دام افتادن آن در گرافن توسط ميکروسکوپ الکتروني آسان است».

گام بعدي تلاش براي به دام انداختن اتم‌هاي ديگر با استفاده از نقايص ساختاري گرافن است. بانهارت مي‌خواهد بررسي‌هاي بيشتري روي ويژگي‌هاي الکتريکي گرافني که با اين روش ناخالصي در آن وارد شده است، انجام دهد.

يافتن عاملي موثر در رشد هم‌راستاي نانوميله‌هاي اکسيد روي



محققان دانشگاه علم و صنعت ايران و دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهرضا، نانوميله‌هاي اکسيد روي را براي استفاده در سطوح فوق آبگريز و پيل‌هاي خورشيدي سنتز کردند، همچنين بذر لايه را به‌عنوان عاملي موثر در رشد هم‌راستاي اين نانوميله‌ها و کاهش قطر آنها عنوان کردند.

دکتر اميرعباس نوربخش، عضو هيئت علمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهرضا و همکارانش با به‌کارگيري روش رشد هيدروترمال و بهينه‌سازي فاکتورهاي سنتز آن، نانوميله‌هاي اکسيد روي را با قطري کمتر از 50 نانومتر براي استفاده در سطوح فوق آبگريز و پيل‌هاي خورشيدي توليد کردند.

اکثر روش‌هاي سنتز نانوميله‌هاي اکسيد روي که بر پايه‌ي رسوب فاز بخار هستند، به دليل نياز به تجهيزات خلا بالا و دماي زياد سنتز، روش‌هايي گران محسوب مي‌شوند.

دکتر نوربخش در گفتگو با بخش خبري سايت ستاد ويژه‌ي توسعه‌ي فناوري نانو هدف از اين پژوهش را «سنتز نانوميله‌هاي اکسيد روي و بررسي اثر عواملي همچون بذر لايه و ترکيب شيميايي محلول رشد بر مورفولوژي نانوميله‌ها عنوان کرد».

وي ابتدا نانوميله‌هاي اکسيد روي(تک‌کريستال‌هاي هگزاگونال ورتزيت) را روي زيرلايه‌ي شيشه‌ي بروسيليکات (فرآيند بدون بذر لايه) و با ترکيب متن آمين و نيترات روي به روش هيدروترمال رشد داده‌است. در مرحله‌ي بعدي، يک محلول کلوئيدي حاوي نانوذرات اکسيد روي را به روش سل- ژل، سنتز کرده و يک فيلم لايه نازک اکسيد روي (بذر لايه) را با پوشش‌دهي چرخشي روي زيرلايه‌ي شيشه‌ي بروسيليکات نشانده‌است. در پايان نيز، نانوميله‌هاي اکسيد روي، را روي بذر لايه و به روش هيدروترمال رشد داده است.

نتايج بررسي‌ها حاکي از آن است که بذر لايه، نقش تعيين‌کننده‌اي در مورفولوژي نانوميله‌ها دارد، به‌طوري‌که وجود بذر لايه موجب هم‌راستا شدن نانوميله‌ها شده‌است.

همچنين مشخص شد که با اعمال بذر لايه، قطر نانوميله‌ها از 200 نانومتر به 50 نانومتر کاهش مي‌يابد و دانسيته‌ي نانوميله‌ها هم به‌طور چشمگيري افزايش پيدا مي‌کند.

دکتر نوربخش در پايان گفت: «گروه تحقيقاتي ما علاوه بر سنتز نانوميله‌ها، در حال پژوهش روي کاربرد آنها در نانوحسگرها و به ويژه سطوح خودتميزشونده است».

جزئيات اين پژوهش -که به‌عنوان بخشي از رساله‌ي دکتري دکتر حميد غيور و با راهنمايي دکتر اميرعباس نوربخش، دکتر حميدرضا رضايي و دکتر شمس‌الدين ميردامادي در حال انجام است- در مجله‌ي Journal of nanoscience and ‌nanotechnology(JNN) (جلد 10، صفحات 7458 -7455، سال 2010) منتشر شده‌است.