سلول‌های بنیادی مورد استفاده و شیوة عمل

سلول‌های بنیادی مورد استفاده و شیوة عمل

مطالعات بالینی ما برای بررسی کارایی روش یادشده در ترمیم ضایعات عضلة قلب،‌ تاکنون بر روی هشت بیمار دچار ایسکمی عضلة قلب انجام شده است. در این روش که در نوع خود شیوه جدیدی از پیوند سلول‌های بنیادی به بیماران محسوب می‌شود، از سلول‌های بنیادی بالغ ردة ACC133 + که از مغز استخوان ( Bone marrow ) خود بیمار جداسازی می‌شود، استفاده می‌گردد. در شیوة مذکور، کل مراحل نمونه‌گیری (آسپیراسیون) از مغز استخوان بیمار، جداسازی سلول‌های بنیادی ACC133 + و تزریق آن‌ها به ناحیة ایسکمیک عضلة قلب، در مدت زمانی حدود 3 ساعت قابل انجام است.
لازم به ذکر است که در این روش، نمونه مغز استخوان، پس از بیهوشی بیمار در اتاق عمل و از استخوان‌های لگن تهیه می‌شود. حجم نمونة مغز استخوان گرفته‌شده در این مرحله فاکتور مهمی است که تعداد نهایی سلول‌های بنیادی ACC133 + را تعیین می‌کند. گروه جراحی ما تاکنون بیشترین مقدار گزارش‌شدة مغز استخوان (حدود 330 میلی‌لیتر) در دنیا را از بیمار اخذ کرده است. پس از این مرحله، سلول‌های بنیادی مورد نظر با استفاده از کیت خاصی از نمونة آسپیرة مغز استخوان جداسازی می‌شود و به روش ترانس اپی‌کاردیال (از بیرون عضلة قلبی) به نقاط متعدد اطراف ناحیة ایسکمیک تزریق می‌شود.

استفاده از لیزر به‌عنوان عامل تقویت‌کننده

استفاده از لیزر در این عمل به‌ علت توان آن در ایجاد واکنش التهابی ( Inflammation ) موقت در بافت و افزایش خون‌رسانی به ناحیة دچار آسیب است. در واقع قبل از تزریق سلول‌های بنیادی به ناحیة ایسکمیک، جهت تحریک خون‌رسانی به آن ناحیه و زنده ‌نگهداشتن سلول‌های بنیادی تزریق‌شده، از خاصیت التهاب‌زایی موقت لیزر به ‌عنوان یک عامل کمکی در ترمیم سریع‌تر ناحیه استفاده می‌شود. در این عمل، ابتدا به کمک لیزر حدود 15 تا 20 حفره در عضلة قلب ایجاد شده و سپس سلول‌ها به اطراف ناحیة دچار ایسکمی تزریق می‌شوند. بنابراین، لیزر در این عمل فقط به ‌عنوان یک عامل تقویت‌کننده ( Booster ) برای افزایش جریان خون استفاده می‌شود.

مزایای این روش پیوند

روش مورد استفاده در این نوع عمل پیوند، در مقایسه با شیوه‌های دیگر پیوند سلول‌های بنیادی به بیماران قلبی، از ویژگی‌ها و مزایای زیادی برخوردار است که مهم‌ترین آن‌ها به این شرح است:
1- با توجه به این‌که کلیة مراحل استخراج و پیوند سلول‌های بنیادی در مدت زمان حدود 3 ساعت قابل انجام است، بنابراین مدت ماندن بیمار در اتاق عمل به‌طور قابل ملاحظه‌ای کوتاه‌تر است.
2- استفاده از کیت ویژة جداسازی سلول‌های بنیادی در یک سیستم بسته و استریل، عملاً نیاز به آزمایشگاه‌های مجهز و پیشرفته با استانداردهای خاص ( GMP Lab ) را مرتفع می‌کند. این کار با بالابردن ضریب ایمنی کار، احتمال انتقال آلودگی و عفونت به بیمار را منتفی می‌سازد.
3- تمام مراحل تهیة نمونه مغز استخوان، جداسازی سلول‌ها و پیوند آن‌ها، در اتاق عمل و صرفاً توسط خود جراح قلب صورت می‌گیرد. بنابراین، با استفاده از این شیوه نیازی به همکاری گروه دیگری از متخصصان مانند هماتولوژیست‌ها و غیره نیست.
4- با توجه به این‌که در این روش علاوه بر تزریق سلول‌های بنیادی به اطراف عضلة دچار عارضه، از خاصیت هم‌افزایی نور لیزر نیز استفاده می‌شود، در نتیجة التهاب موقت ایجادشدة ناشی از تابش نور لیزر، خون‌رسانی به ناحیة ایسکمیک و تزریق‌شده، افزایش می‌یابد و با این کار، احتمال موفقیت در پیوند سلول‌های بنیادی و زنده ماندن سلول‌های پیوندی افزایش می‌یابد.

این روش پیوند برای کدام گروه از بیماران قلبی مناسب است؟

گروهی از بیماران قلبی برای درمان مشکلات و نارسایی‌های قلبی،‌ نیاز به عمل جراحی قلب باز و پیوند عروق میان‌بُر کرونری یا بای‌پس دارند. اما گاهی اوقات پس از این‌که بیماری برای انجام عمل بای‌پس عروق کرونری، تحت عمل قلب باز قرار می‌گیرد، به علت برخی مشکلات از جمله کوچک ‌بودن رگ بسته‌شده یا سفت شدن بافت‌های پیرامونی، امکان چنین عملی برای بهبودی وی وجود ندارد. در این شرایط، یکی از بهترین گزینه‌ها انجام عمل پیوند سلول‌های بنیادی به ناحیه دچار آسیب قلب است. بنابراین، در روش مذکور جراح قلب قادر است پس از مواجهه با چنین بیمارانی، فقط در مدت زمان 3 ساعت، ضمن تهیة سلول‌های بنیادی، آن‌ها را به قلب بیمار پیوند بزند. به‌ عبارت بهتر، یکی از قابلیت‌های ارزشمند و در خور توجه این روش آن است که نه‌تنها پیش از عمل جراحی، بلکه پس از بازکردن قفسة‌ سینة بیمار نیز، جراح این امکان و فرصت را خواهد داشت تا از روش سلول‌درمانی استفاده کند.
شایان ذکر است که در بیش از 50 درصد بیماران قلبی، قبل از اقدام به عمل جراحی معیارهای لازم برای پیوند سلول‌های بنیادی وجود دارد. اما با این روش، در مورد بیماران دیگری که در حالت اورژانس به بیمارستان منتقل شده و این تشخیص قبلاً برای آن‌ها داده نشده باشد، می‌توان پس از اقدام به عمل جراحی و در حین کار چنین تصمیمی را اتخاذ کرد. برای مثال، اگر بیمارانی که در مرحلة نهایی نارسایی قلبی ( End stage heart failure ) قرار داشته و به علت سخت‌شدن دیواره عروق کرونری، رگ‌های درگیر به‌طور کامل بسته‌شده و به موقع تحت درمان بای‌پس قرار نگیرند، جراح تنها پس از باز کردن قفسة سینه بیمار متوجه عدم کارایی روش بای‌پس برای درمان فرد می‌شود. در چنین موارد اورژانسی، می‌توان با پیوند سریع سلول‌های بنیادی به قلب بیمار، جان او را نجات داد.

هزینه پیوند سلول‌های بنیادی با روش مذکور

همان‌طور که قبلاً‌ ذکر شد، در روش یادشده، برای تهیة سلول‌ها از کیت ویژه‌ای برای جداسازی سلول‌های بنیادی ACC133 + از نمونة مغز استخوان بیمار استفاده می‌شود. هزینة استفاده از این کیت برای هر بیمار در حدود سه تا هفت‌ هزار یورو است. علت گران بودن این کیت آن است که کل لوازم آن یکبار مصرف بوده و برای هر عمل باید مجموعة تازه‌ای استفاده شود. اما علیرغم گران بودن کیت، استفاده از این ابزار به دلیل استریل بودن و داشتن سیستم کاملاً‌ بستة آن، نیاز به سرمایه‌گذاری‌های کلان جهت تجهیز آزمایشگاه‌های پیشرفته با شرایط GMP Lab برای تهیة سلول‌های بنیادی عاری از آلودگی را کاملاً مرتفع می‌کند. لازم به ذکر است که کیت مورد استفاده در این عمل ویژة کارهای بالینی است و با انواع آزمایشگاهی آن که ارزان‌تر بوده و مجوزهای استفاده برای انسان را ندارد، کاملاً متفاوت است.

خصوصیات سلول‌های بنیادی مورد استفاده

همان‌طور که ذکر شد، از سلول‌های بنیادی ردة ACC133 + که از مغز استخوان خود فرد جداسازی می‌شود، برای سلول‌درمانی در این روش استفاده می‌شود. در حال حاضر و بر اساس یافته‌های محققان، سلول‌های بنیادی ACC133 + به‌عنوان سلول‌های بنیادی اولیه ( Primitive stem cells ) شناخته می‌شوند. به عبارت دیگر، این سلول‌ها توانایی تمایز به اغلب سلول‌های دیگر از جمله سلول‌های عصبی، ماهیچه‌ای قلبی و استخوانی (استئوکلاست) را دارا هستند. بنابراین در مقایسه با دیگر رده‌های سلولی اخذشده از مغز استخوان، بهترین شرایط را برای پیوند دارند.

جداسازی سلول‌های ACC133 + با استفاده از نانوتکنولوژی

در کیت ویژه‌ای که برای جداسازی سلول‌های بنیادی ACC133 + از نمونة مغز استخوان استفاده می‌شود، جداسازی سلول‌ها بر مبنای اتصال رسپتورهای ( Receptors ) سلولی به گیرندة اختصاصی آنها استوار است. به عبارت دیگر، سلول‌های بنیادی ACC133 + در سطح خود دارای رسپتوری به‌نام ACC133 هستند که قادر است به گیرندة اختصاصی خود اتصال یابد. گیرندة مذکور که آنتی‌بادی اختصاصی (منوکلونال) بر علیه ACC133 است، به یک قطعة 50 نانومتری با خاصیت آهن‌ربایی (مگنت) متصل می‌شود که اصطلاحاً آنتی‌بادی منوکلونال کونژوگه نامیده می‌شود. پس از تهیة خون مغز استخوان، نمونه را از ستونی که حاوی آنتی‌‌بادی‌های کونژوگة تثبیت شده است، عبور می‌دهند. در نتیجه، سلول‌های بنیادی با گیرندة سطحی ACC133 به آنتی‌بادی‌ها چسبیده و به‌راحتی قابل جمع‌آوری هستند،‌ در حالی‌که رده‌های دیگر سلولی موجود در نمونه از ستون خارج و حذف می‌شوند. کل این روند در داخل کیت استریل انجام می‌شود و سلول‌های مورد نیاز برای پیوند با خلوص بالا، بدون آلودگی و در کمترین زمان ممکن در اختیار جراح قلب قرار می‌گیرند.
لازم به ذکر است که در داخل نمونة اخذ‌شدة مغز استخوان، کمتر از 5/1 درصد سلول‌ها از نوع ACC133 + هستند و بقیه شامل رده‌های دیگر سلولی هستند. برای مثال، کمتر از 10 درصد سلول‌ها از نوع CD34 + و حدود 25-20 درصد سلول‌ها CD117 + هستند.

7)کاربردهای سلول‌های بنیادی در پزشکی

متن زیر به بیان کاربردهای عملی، قریب‌الوقوع و قابل‌انتظار سلول‌های بنیادی می‌پردازد. این متن، دیدگاه آقای مسعود سلیمانی، دانشجوی دکتری تخصصی گروه هماتولوژی دانشکده پزشکی دانشگاه تربیت مدرس در این زمینه می‌باشد:
تولید اینترفرون‌ها در زمان خود، انقلاب در پزشکی محسوب شد و این امیدواری را پیش آورد که بتواند به‌عنوان درمان قطعی سرطان مورد استفاده قرار گیرد؛ اما گذشت زمان برخی محدودیت‌های آن را نمایان ساخت.
پس از آن، ژن‌درمانی به عنوان راهی برای درمان سرطان مطرح شد که سر و صدای زیادی در مجامع علمی و پزشکی به راه انداخت؛ در این تکنولوژی، معمولاً از ویروس‌ها به عنوان ناقلین ژن‌ها استفاده می‌شود که مشکلاتی همچون تومورزایی، بیماری‌زایی و غیره را به همراه دارد و لذا این روش نیز با محدودیت‌های جدی روبرو شد.
امروزه یکی از کاربردهای سلول‌های بنیادی که توجه زیادی را به خود معطوف داشته است، همین درمان سرطان است؛ چرا که از سلول‌های بنیادی انسانی و معمولاً بدون تغییر ژنتیکی، می‌توان برای ترمیم بافت‌های آسیب دیده استفاده کرد.
هر چند استفاده از سلول‌های بنیادی، در مراحل اولیه خود به سر می‌برد، اما متخصصین معتقدند در آینده‌ای نه‌چندان دور، کاربردهای وسیعی در علم پزشکی خواهد داشت. با این اعتقاد، هم‌اکنون در اقصی نقاط جهان تحقیقات وسیعی در خصوص استفاده از سلول‌های بنیادی در جهت تأمین سلامت انسان در حال انجام است. در ذیل به چند نمونه از کاربردهای نزدیک به حصول سلول‌های بنیادی اشاره می‌شود:
1- ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده قلب
امروزه شمار زیادی از مردم دنیا از بیماری‌های قلبی ناشی از آ?سیب‌دیدگی بافت‌های آن رنج می‌برند که بعضاً منجر به مرگ نیز می‌شود. ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده، همواره یکی از دغدغه‌های پزشکان و متخصصین علوم پزشکی بوده و بهره‌گیری از سلول‌های بنیادی، امید تازه‌ای در این عرصه به وجود آورده است. متخصصین امیدوارند سلول‌های بنیادی را از مغز استخوان افراد بیمار (یا جنین نوظهور) استخراج و آنها را در محیط آزمایشگاه به سلول‌های قلبی تبدیل نمایند و نهایتاً با تزریق این سلول‌های تمایزیافته به بدن، امکان ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده قلب را فراهم آورند.
البته این تکنیک هنوز در مرحله آزمایشگاهی است، اما موفقیت‌های به‌دست آمده در حیوانات آزمایشگاهی، احتمال بهره‌گیری از آن را در انسان قوت بخشیده است.
2- ترمیم بافت‌های استخوانی
در افرادی که شکستگی وسیع استخوان دارند و یا کسانی که مورد عمل جراحی مغزی قرار گرفته و کاسه سر آنها برداشته شده و همچنین اشخاصی که استخوان‌های آنها به‌کندی جوش می‌خورد، از سلول‌های بنیادی برای جوش‌خوردگی سریع و جلوگیری از عفونت‌های بعدی استفاده می‌شود. در این تکنیک، سلول‌های بنیادی مزانشیمی از فرد گرفته شده و در محیط آزمایشگاه به سلول‌های استئوپلاست (استخوانی) تبدیل می‌شوند، سپس این سلول‌ها در کنار بافت‌های آسیب‌دیده استقرار می‌یابند تا باعث جوش‌خوردگی سریع این بافت‌ها گردند. در این مورد، سلول‌ها از خود شخص جدا می‌شوند؛ بنابراین مشکل پس‌زدگی و عوارض جانبی را نیز در برندارد.
تکنیک مذکور از مرحله آزمایشگاهی خارج شده و هم‌اکنون درکشورهای پیشرفته دنیا از جمله آمریکا و ژاپن به طور عملی و کاربردی بر روی بیماران انجام می‌شود.
3- درمان بیماری‌ها و ضایعات عصبی
پیشرفت‌های بشر در زمینه تولید، تکثیر و تمایز سلول‌های بنیادی، این امید را به وجود آورده است که بتوان از این سلول‌ها در مداوای ضایعات عصبی مانند قطع نخاع و بیماری‌های عصبی همچون آلزایمر، پارکینسون، MS و غیره نیز بهره برد. در این مورد نیز پس از تهیه سلول‌های بنیادی از شخص موردنظر، آن‌ها را به سلول عصبی تبدیل نموده و برای ترمیم یا مداوا مورد استفاده قرار می‌دهند. البته بخش اعظم این تکنولوژی، در مرحله آزمایشگاهی است؛ اما با پیشرفت‌های خوبی همراه بوده است. به‌عنوان مثال، طی گزارشی که اخیراً منتشره شده، متخصصین فرانسوی موفق شدند با استفاده از سلول‌های مزانشیمی، موش قطع نخاع شده‌ای را تا حدی بهبود بخشند که قادر به حرکت باشد ( البته نه با تعادل صددرصد). این موضوع در صورتی‌که با موفقیت نهایی توأم شود، انقلاب بزرگی در پزشکی به شمار می‌رود.
ضمن اینکه یک شرکت آمریکایی بنام اورسی که یک مرکز تحقیقاتی خصوصی بوده و متخصصین ارشد جهان در زمینه سلول‌های بنیادی را گرد هم آورده، ادعا کرده است که قادر به مداوای بیماری‌هایی مانند آلزایمر، پارکینسون، MS و غیره می‌باشد که این عمل را با استفاده از سلول‌های بنیادی خود شخص انجام می‌دهد؛ البته در قبال آن هزینه‌‌های بالایی تا حد 100 هزار دلار دریافت می‌نمایند.
4- ترمیم سوختگی‌ها و ضایعات پوستی
جراحات پوستی ناشی از سوختگی یا صدمات دیگر، بسیاری از بیماران را به خود مبتلا نموده است. در روش معمول برای ترمیم قسمت‌های صدمه‌دیده، از پوست بخش‌های سالم بدن استفاده می‌شود که مشکلاتی را برای بیمار به‌وجود می‌آورد. اما با .استفاده از سلول‌های بنیادی می‌توان سلول‌های پوستی را در محیط آزمایشگاه تولید نمود و درترمیم بافت‌های صدمه‌دیده از آنها استفاده کرد. این تکنولوژی در حال حاضر، کاربردی شده و توسط یکی از بیمارستان‌های انگلستان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
5- ترمیم لوزالمعده (پانکراس) و ترشح انسولین
اخیراً در دانشگاه آلبرتا کانادا، متخصصین موفق شدند سلول‌های بنیادی مزانشیمی را به سلول‌های پانکراس انسانی تبدیل نمایند و به بیماران دیابتی منتقل نمایند. این آزمایش بر روی 23 نفر انجام شد که 16 نفر از تزریق انسولین بی‌نیاز شدند. یادآوری می‌شود که این پیوند از نوع اتولوگ بود (برای مداوای هر شخص از سلول‌های بنیادی خود وی استفاده شد) و مشکلات جانبی در بر نداشت.
6- آزمون تأثیر داروهای جدید
داروهای سنتتیک جدید ممکن است بر سلول‌ها یا بافت‌های انسانی تأثیرات متفاوتی داشته باشند که امکان تست آنها در انسان‌ها به دلیل مسایل اخلاق پزشکی وجود ندارد. به‌عنوان مثال، یک داروی سنتتیک قلبی ممکن است بر سلول‌ها یا بافت‌های قلبی تأثیر سویی داشته باشد. در این موارد می‌توان سلول‌های قلبی یا هر بافت دیگر را با استفاده از سلول‌های بنیادی تولید نمود و داروهای جدید را بر روی آنها آزمایش کرد، بدون اینکه نیاز به آزمایش در بدن انسان باشد (آزمایشات مقدماتی انسانی). در این خصوص سلول‌های بنیادی جنینی می‌توانند کاربرد وسیعی داشته باشند.
7- ترمیم سایر بافت‌های آسیب‌دیده
مواردی که اشاره شد کاربردهایی از سلول‌های بنیادی بود که به صورت کاربردی درآمده بودند و یا نزدیک به کاربردی شدن هستند، اما از کاربردهای بالقوه این سلول‌ها می‌توان به ترمیم بافت‌های آسیب دیده دیگر بدن از جمله غضروف، کبد، ماهیچه و غیره اشاره کرد که می‌تواند دامنه کاربرد سلول‌های بنیادی را در آینده افزایش دهد.
یک نکته مهم
در اطلاع‌رسانی عمومی کاربرد سلول‌های بنیادی، باید به این نکته توجه شود که انتظارات بیش از حد توانایی این تکنولوژی در مردم به وجود نیاید. ساخت اندام، یکی از امیدهایی است که ممکن است در برخی از مردم ایجاد گردد؛ باید خاطر نشان کرد. که با دانش کنونی بشر، امکان تولید عضو یا اندام توسط این تکنولوژی وجود ندارد و به نظر نمی‌رسد در آینده‌ای نزدیک نیز این امر محقق شود. به‌عنوان مثال، اگر قلب را در نظر بگیریم علاوه بر شکل آن که در کارکردش بسیار حایز اهمیت است، از سلول‌ها و بافت‌های مختلفی از جمله بافت ماهیچه‌ای، خونی، اپیدرمی، رگ و غیره درست شده است. اگر بخواهیم سلول‌های بنیادی را به هر یک از این بافت‌ها تبدیل نماییم، نیازمند اعمال شرایط و تیمارهای ویژه‌ای هستیم که فراهم کردن همه آنها به طور همزمان در یک بیورآکتور غیرممکن است. شاید در آینده بشر بتواند این اعضاء را دربدن انسان یا حیوان تولید نماید که به‌ویژه در مورد دوم علاوه بر مشکلات تکنیکی با محدودیت‌های اخلاقی نیز مواجه است.
با این تفاسیر، کاربرد قابل انتظار بهره‌گیری از سلول‌های بنیادی در شرایط فعلی و آینده نزدیک، ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده است که در موارد فوق به آنها اشاره شد. هر چند همین کاربردها نیز در صورت فراگیرشدن، انقلابی در پزشکی محسوب می‌شوند.
منابع:
همشهری امارات
خبرگزارى فارس
http://www.salamatiran.com
http://www.hamshahrionline.ir
http://www.irshafa.ir
http://bio.itan.ir
http://www.jazirehdanesh.com
http://www.bazyab.ir

تأثیرات امنیتی نانوفناوری (فرصت و تهدید)

تأثیرات امنیتی نانوفناوری (فرصت و تهدید)

از نظر دفاعی، نانوفناوری برای کشورها، هم فرصت و هم تهدید است، به لحاظ کاربردهای بسیار زیادی که این فناوری می تواند در امور نظامی داشته باشد، گرایش زیادی در بخش دفاعی کشورها به تحقیق و توسعه نانوفناوری صورت گرفته است. این کاربردها از لباس های مانع خطر تا پرنده های بسیار کوچک، تجهیزات اطلاعاتی و بسیاری موارد دیگر است که هم اکنون با حمایت وزارتخانه های دفاع کشورهایی چون: آمریکا، ژاپن و برخی کشورهای اروپایی به صورت پروژه های تحقیقاتی در حال انجام هستند. از این جهت این فناوری برای کشورها یک تهدید محسوب می شود. اما برای کشورهایی که بتوانند با استفاده از روند موجود، جایگاهی را در آینده امنیت جهانی برای خود در نظر بگیرند، یک فرصت خواهد بود. این کاربردها بسیار متنوع هستند، هر کشوری می تواند زمینه ای را برای پیشگامی در جهان سهم خود نماید و در آینده ی رقابت های بین المللی نقشی داشته باشد.

شکل گیری بازارهای بسیار بزرگ جدید

شواهد موجود نشان می دهد که درصد بالایی از بازارهای جدید محصولات مختلف متکی برنانوفناوری خواهد بود. به همین دلیل دولت ها و شرکت های بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روکوه، رئیس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاست جمهوری آمریکا طی مقاله ای در ماه «می» سال دو هزار و یک (م)، پتانسیل نانوفناوری برای تغییر چشمگیر در اقتصادی جهانی را یادآوری نموده است. بر مبنای پیش بینی وی و اعتقاد بخش دیگری از صاحب نظران در ده الی پانزده سال آینده، نانوفناوری بازار نیمه هادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد . خبرهایی نیز که به تازگی از شرکت های اصلی سازنده پردازنده های کامپیوتر در آمریکا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده های حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا قبل از ده سال آینده حکایت دارد. به عنوان مثال شرکت اینتل اعلام نموده است که در سال دو هزار و هفت پردازنده های متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بسیار بیشتر و مصرف کمترنسبت به آخرین دستاوردهای امروزی نیمه هادی ها، وارد بازار خواهد کرد. در بخش دارو نیز پیش بینی شده است تا ده الی پانزده سال آینده نیمی از این صنعت متکی بر نانوفناوری خواهد بود که خود نیاز به وسایل تزریق جدید و آموزش های پزشکی روزآمد خواهد داشت. همچنین در صنایع شیمیایی، فقط ذکر بازار صد میلیارد دلاری کاتالیست ها که تا 10 سال آینده به طور کامل متکی بر کاتالیست های نانوساختاری خواهد بود؛ برای نشان دادن اهمیت بحث کافی است. همچنین از هم اکنون بازار بزرگی برای بکارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شکل گیری است. موادی که می تواننند خواص جدید و فوق العاده ای به محصولات موجود بخشیده و موجب کاهش قیمت آن ها شوند. به عنوان نمونه نانولوله های کربنی (Carbon Nanotubes) با وزن بسیار کمتر و استحکام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تأثیر قرار خواهد داد.

4-5) تقسیم بندی های فنی و صنعتی نانوفناوری

نانوفناوری را هم از نظر شاخه های علمی و فنی آن و هم از نظر کاربردهای صنعتی می توان دسته بندی نمود. برخی از شاخه های علمی و فنی آن عبارتند از : الف – نانوپودر
ب – نانوسرامیک
ج – نانوالکتریک
د– نانوپزشکی
ه- نانوزیست فناوری
نمونه ای از تقسیم بندی کاربردهای آن نیز در زیر آمده است.
الف) کاربرد در ساخت مواد نانوفناوری تغییر بنیادی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد جدید خواهد شد و انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آن ها ایجاد خواهد کرد. محققین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد، که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجاد آن نیست. برخی از مزایای مواد نانوساختار عبارتست از : مواد سبک تر، قوی تر و قابل برنامه ریزی، کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعه های نقص فنی؛ ابزارهایی نوین بر پایه اصول و معماری جدید؛ بکارگیری کارخانه های مولکولی یا خوشه ای که مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند. این مواد می توانند، کاربرهای مختلفی را در صنایعی همچون: صنعت هواپیمایی، صنعت خودرو، لوازم خانگی و غیره ایجاد نماید.
ب) کاربرد در پزشکی و بدن انسان: سیستم های زنده را رفتارهای مولکولی در مقیاس نانومتر اداره می کنند. مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیست شناسی و شبیه سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت در حال گرایش هستند.اکنون نگرش هایی به سمت استفاده از ابزارها و سیستم های نانوساختاری، بوجود آمده است که فرآیند آزمایشگاهی کنونی توالی ژنی (genome sequencing) را به نحو شگرفی با استفاده از سطوح و ابزارهای نانو ساخته (nanofabricated) دگرگون کرده است. افزایش قدرت انسان برای ترسیم سرشت ژنتیکی یک فرد، روش های شناسایی و درمان را دگرگون می کند.فراتر از سهل شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو (Drug Delivery) تهیه کند، که به نحو حیرت انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می دهد.همچنین افزایش قابلیت های نانوتکنولوژیکی، به طور خاص مطالعات بنیادی زیست شناسی و پاتولوژی سلولی را تقویت خواهد کرد. در نتیجه پیشرفت ابزراهای تحلیل گر جدید که قادر به شناسایی جهان نانومتر باشند، این امر بسیار محتمل خواهد بود؛ که بتوان خواص شیمیایی و مکانیکی سلول ها (از جمله: فرآیندهایی هم چون تقسیم سلولی و غیره) را اندازه گیری و تغییر داد. این قابلیت ها تکمیل کننده ( و به شدت پشتیبانی کننده) تکنیک های مرسوم در علوم حیات هستند.مواد زیست سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهد شد. نانو مواد سنتزی معدنی و آلی را مثل، اجزای فعال، می توان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی سازی به کار می رود) درون سلول ها وارد نمود.افزایش توان محاسباتی بوسیله نانوفناوری، ترسیم وضعیت شبکه های ماکرومولکولی را در محیط های واقعی ممکن می سازد. این گونه شبیه سازی ها برای بهبود قطعات کاشته شده زیست سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهد بود.شناسایی و ترمیم زخم ها و آسیب های بافتی همانند، ساختارهای طبیعی ( مانند گلبول های سفید و مولکول های ترمیم کننده زخم) در اندازه های نانو است. نیز با استفاده از این فناوری امکان تشخیص سریع بیماری های صعب العلاج و سرطانی امکان پذیر است. با استفاده از این فناوری جدید در دراز مدت می توان تومورهای مغزی را به درستی تشخیص داد و بدون آسیب زدن به بافت های سالم و با استفاده از پرتودرمانی این بیماری را بهبود بخشید ، که برای بیماران سرطانی بسیار مایه امید است.نانو کپسول های تولیدی با استفاده از فناوری نانو، دارای موادی مانند: ویتامین A، رتینول و بیاکاروتن خواهند بود، که باید به لایه های عمقی پوست منتقل شوند تا بیشترین خواص ضد پیری و سایر خواص دارویی خود را بروز دهند.با کارگذاری نانو ذرات فعال نوری در داخل گلبول های سفید خون، موفق به شناسایی سلول های آسیب دیده خواهیم شد.
ج) کاربردهای نانو در کشاورزی، آب، انرژی و میحط زیست نانوفناوری ، منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهد داد. همچنین فناوری های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست ، علوم و مهندسی، نانو می تواند تأثیر قابل ملاحظه ای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می دهد، در ایجاد و درمان مسائل زیست محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده ها، در توسعه فناوری های «سبز» جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا د رجریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته باشند. لازم به ذکر است ، نانوفناوری توان حذف آلودگی های کوچک از منابع آبی ( کمتر از دویست نانومتر) و هوا (زیر بیست نانومتر) و اندازه گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق وسیع تر را دارد.در زمینه انرژی، نانوفناوری می تواند به طور قابل ملاحظه ای کارآیی، ذخیره سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده، مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال، شرکت های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت شده یا نانوذرات را ساخته اند، که می تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل ها شود. استفاده گسترده از این نانو کامپوزیت ها می تواند سالیانه یک و نیم میلیارد لیتر صرفه جویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد.نیز انتظار می رود تغییرات عمده ای در فناوری روشنایی در ده سال آینده رخ دهد. می توان نیمه هادی های مورد استفاده در دیودهای نورانی (LEDها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در آمریکا، حدود بیست درصد کل برق تولیدی، صرف روشنایی (چه لامپ های التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می شود. مطابق پیش بینی ها در ده تا پانزده سال آینده، پیشرفت هایی از این دست می تواند مصرف جهانی را بیش از ده درصد کاهش دهد که یک صد میلیارد دلار در سال صرفه جویی و دویست میلیون تن کاهش انتشار کربن به همراه خواهد داشت.در زمینه آب، باید گفت جمعیت جهان د رحال افزایش و منابع آب آشامیدنی در حال کاهش است. سازمان ملل پیش بینی می کند که در سال دو هزار و بیست و پنج ، حدود چهل و هشت کشور (معادل سی و دو درصد جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی باشند. تخلیص و نمک زدایی آب از زمینه های مورد توجه در دفاع پیش گیرانه و امنیت زیست محیطی است. چرا که در سطح جهان ممکن است در آینده با مشکل کمبود آب مواجه شویم. استفاده از آب شرب با دو برابر سرعت افزایش جمعیت و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی نیز تشدید می شود، افزایش می یابد. دستگاه هایی به کمک نانوفناوری ساخته شده اند، که آب دریا را با انرژی ده برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس و لااقل صد برابر کمتر از تقطیر، نمک زدایی می کنند. این فرآیند کاراز نظر مصرف انرژی کاملاً عملی است، چون الکترودهای با مساحت سطحی بسیار بالا ساخته شده اند، که از طریق کنار هم قراردادن نانولوله های کربنی و دیگر ابتکارات طراحی، رسانای الکتریسته شده اند. همچنین نانوفناوری به طور مستقیم در پیشرفت کشاورزی سهیم خواهد بود. از جمله : مواد شیمیایی سازگار با زیست که برای تغذیه گیاه یا حفظ آن در برابر حشرات به شکل مولکولی طراحی شده اند، ارتقای ژنتیکی گیاهان و حیوانات، انتقال ژنها و داروها به حیوانات؛ انتقال ژن ها و دارو به حیوانات، امکان سازگاری گیاهان با خشکسالی و شوری و ...
د) کاربردهای نانوفناوری در هوافضا و امنیت ملیمحدودیت های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریت های طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب ناپذیر می سازد. مواد و ابزار آلات نانوساختاری ، امید حل این مشکل را بوجود آورده است.«نانو ساختن» (Nanofabrication) همچنین در طراحی و ساخت مواد سبک وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، مورد نیاز برای هواپیماها ، راکت ها، ایستگاه های فضایی و سکوهای اکتشافی سیاره ای یا خورشیدی، تعیین کننده است. همچنین استفاده روزافزون از سیستم های کوچک شده تمام خودکار، منجر به پیشرفت های شگرفی در فناوری ساخت و تولید خواهد شد. این مسأله باتوجه به این که محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلاء بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستم های نانو که ساخت آن ها در زمین ممکن نیست ؛ در فضا خواهد شد.برخی کاربردهای دفاعی نانوفناوری نیز عبارتند از : تسلط اطلاعاتی از طریق نانوالکتریک پیشرفته به عنوان یک قابلیت مهم نظامی، امکان آموزش مؤثرتر نیرو به کمک سیستم های واقعیت مجازی پیچیده تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری، استفاده از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی، دستیابی به کارایی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بیشتر) مورد نیاز در صحنه های نظامی و در عین حال تعداد دفعات نقص فنی کمتر، هزینه کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته ای، بهبود طراحی در سیستم های مورد استفاده در کنترل و مدیریت تکثیر نشدن هسته ای، و تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستم های دفاع هسته ای ، در بسیاری موارد، فرصت های اقتصادی و نظامی مکمل هم هستند. کاربردهای درازمدت نانوفناوری در زمینه های دیگر، پشتیبانی کننده امنیتملی است و بالعکس.
ذ – کاربرد نانوفناوری در صنایع بهداشتی و آرایشی استفاده از مواد غیرآلی به عنوان جاذب اشعه خورشید جهت کاربرد در ضد آفتاب ها، انقلاب بزرگی در صنایع بهداشتی و دارویی به وجود آورده است. استفاده از نانو ذرات اکسید روی برای کرم های ضد آفتاب و نیز به عنوان ضد التهاب و نانو ذرات اکسید تیتانیوم برای کاهش صدمات ناشی از آسیب روز افزون اشعه ماورای بنفش بر روی پوست، گسترش پیدا کرده است. استفاده از نانو ذرات اکسید تیتانیوم و سیلیکون بر روی صورت سبب می شود پوست صورت، ظاهری صاف و بدون چروک به خود بگیرد و نیز از این نانو ذرات به عنوان درمان خشکی پوست هم استفاده می شود. همچنین از نانو ذرات اکسید تیتانیوم در شامپوهای محافظ پوست، کرم صورت و پمادهای بهداشتی دیگراستفاده می شود. ساخت نانو ماشین هایی که قادرهستند، فرم موی افراد را به نحو دلخواه آنان تغیر دهند، چین و چروک پوست را صاف کرده و چربی اضافی را جمع آوری کنند.جوراب های حاوی نانو ذرات نقره ، باعث مهار رشد باکتری و قارچ ها می شود و از بروز بوی بد پاها، مسائل مربوط به پای ورزشکاران ، عفونت ناخن پا و عفونت کف پا که بیشتر در افراد دیابتی بروز می کند، جلوگیری می کند.
و) کاربرد فناوری در صنعت الکترونیک با استفاده از این فناوری می توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد هزار برابر یا بیشتر افزایش داد و در نهایت به ساخت ابزارهای ابر محاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شد. اگر ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات، به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد، ذخیره سازی پنجاه عدد DVD بیشتر در یک هارددیسک با ابعاد یک کارت اعتباری میسر خواهد شد. ساخت تراشه ها در اندازه های فوق العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه های سی و دو تا نود نانومتر و تولید دیسک های نوری 100 گیگا بایتی در اندازه بایتی در انازه های کوچک نیز از دیگر کاربردهاست.
ز) کاربرد نانوفناوری در صنعت خودرو یکی از اصلی ترین موضوعات مطرح در نانو فناوری، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده بسیار بالا و کارایی بیشتری در تمام صنایع خواهند داشت؛ که صنعت خودرو نیز از آن مستثنی نیست. ساخت بدنه سبک تر و مقاوم تر برای خودرو، ساخت لاستیک هایی با مقاومت سایشی بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چند برابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتری هایی با انرژی بالا و دوام بیشتر، ساخت حس گرهای چند منظوره برای کنترل فرآیندهای مختلف در خودرو، ساخت کاتالیزورهای اگزوز خودرو جهت کاهش آلودگی هوا، لایه های خیلی محکم با خصوصیات ویژه ای مثل الکتروکرومیک (رنگ پذیری الکتریکی) یا خود پاک کنندگی برای استفاده در شیشه ها و آینه های خودرو و سازگار کردن خودرو با محیط زیست و بسیاری از موارد دیگر از جمله کاربردهایی هستند که نانوفناوری در صنعت خودرو خواهد داشت.
همچنین جایگزینی کربن سیاه تایرها با ذرات رس و پلیمرهای نانومتری، فناوری جدیدی است که تایرهای سازگار با محیط زیست و مقاوم در برابر ساییدگی را به ارمغان می آورد.صنعت خودرو از طرفی در معرض فشارهای ناشی از قیمت سوخت و مسایل ایمنی است و از طرف دیگر به شدت تحت تأثیر سلایق و تنوع در خواسته های مشتریان برای مدل های جدید خودرو است که با رجوع به فناوری نانو می توان بر مشکلات فوق فایق آمد.
ح) کاربردهای دیگر پژوهشگران سراسر دنیا جهت یافتن کاربردهایی برای نانو لوله ها در زمینه های مختلفی مانند: رنگ، باتری و وسایل الکترونیکی کوچک، در حال رقابت هستند. یکی از این موارد، دستگاه اشعه ایکس ست که در آینده می تواند کوچک تر، ارزان تر و دقیق تر باشد و عملکرد بهتری در مراکز رادیولوژی و مراکز بازرسی فرودگاه ها داشته باشد، از نانولوله جهت ذخیره انرژی بهتر در باتری ها نیز استفاده می شود. کاتالیزورها به سطح ویژه وابسته هستند و با استفاده از فناوری نانو می توان این سطح ویژه را به مقدار فوق العاده ای افزایش داد که سبب افزایش سرعت و کارایی در واکنش های شیمیایی می شود. با بهره گیری از فناوری نانو می توان گیریسی تولید نمود که در درجه حرارت های بسیار بالا مورد استفاده قرار گیرد.

4-6) ده محصول جاری شده با استفاده از فناوری نانو

در زیر، ده محصول برتر نانو فناوری در سال دو هزار و سه میلادی طبقه بندی شده است. این خبر، نشان می دهد کسانی که هنوز معتقدند نانوفناوری فقط در آزمایشگاه است، اشتباه فکر می کنند.
1 – پارچه های ضدچروک و ضد لکهشرکت آمریکایی نانوتکس با اضافه نمودن ساختارهای مولکولی به الیاف کتان، الیافی ساخته است که مایعات و لکه ها بر روی آن ها حرکت نموده و جذب نمی شوند. بنابراین چنانچه قهوه بر روی شلوار سفید رنگی ریخته شود به طرز شگفت انگیزی بر روی آن حرکت کرده و جذب نمی شود ( مثل حرکت قطرات آب بر روی پرهای غاز). شرکت سوئیسی نانواسفربه تازگی در رقابت با شرکت فوق محصولاتی تولید کرده است که نه تنها در صنایع پوشاک سازی بلکه در بخش های پزشکی و لوازم خانگی مثل مبلمان کاربرد دارند. محصولات این شرکت ضد چربی است.
2 – واکس اسکی با کیفیت برترتیم ملی اسکی کانادا از این واکس استفاده نموده است و به زودی هر اسکی بازی می تواند از آن استفاده کند. نانوواکس سراکس یکی از اولین محصولات جهانی است که با استفاده از نانوفناوری شیمیایی، پوشش هوشمندی با خواص چند عملکردی ایجاد می نماید. این واکس به وسیله شرکت آلمانی نانوگیت تولید شده و سطحی بسیار لیز و سخت ایجاد می نماید. این پوشش بسیار نازک، نسبت به پوشش های قبلی که به سرعت خاصیت خود را از دست می دادند، بسیار بادوام تر است.این پوشش هوشمند با کاهش دما بسیار سفت می شود و با کریستال های برف و پوست سازگاری بسیار خوبی دارد. محصولات نانوواکس با فرمول های مختلفی برای انواع ورزش های زمستانی که در شرایط مختلف انجام می شوند تولید شده اند.
3 – محافظ پوست با قابلیت نفوذ عمیق صنایع آرایشی و بهداشتی نقش مهمی در پیشبرد صنعت ذرات دارند. یکی از اهداف این صنایع، پیدا نمودن سیستم رسانش مواد فعال متنوع با قابلیت نفوذ عمیق است. ال اورال یکی از بزرگ ترین شرکت های تولید کننده مواد آرایشی در جهان، اولین محصول نانوفناوری خود را در سال هزار و نهصد و نود و هشت (م) معرفی نمود. این محصول کرم ضدچروک با نام Plenitude Revitalift است. در تولید این کرم از یک فرآیند انحصاری نانوفناوری ( تا دویست نانومتر) به منظور داخل نمودن ویتامین A به درون یک کپسول پلیمری استفاده شده است.کپسول مانند اسفنج، کرم را درون خود جذب و نگه داری می نماید تا این که پوسته بیرونی آن در زیر پوست حل شود. بر طبق بررسی های شرکت L’Oreal هشتاد درصد خانم هایی که این کرم را مصرف کرده اند خاصیت ضد چروک بودن آن را تأیید نموده اند. همچنین هفتاد و پنج درصد آنان می گویند این کرم در سفت شدن پوست مؤثر است. بنابراین نانوفناوری می تواند مسیری به سمت جوانی طولانی باشد.
4 – دوربین دیجیتال OLEDاغلب دوربین های دیجیتال با استفاده از دیود گسیل نور آلی (OLED) ساخته می شوند. OLED ها نه تنها روشن تر از LCD ها است .بلکه انرژی کمتری نسبت به آن ها مصرف می نماید. همچنین آن ها دارای زاویه دید وسیع تری هستند. اولین دوربین دیجیتالی که در آن از نمایش دهنده های OLED استفاده شده است دوربین سه ویک دهم مگاپیکسل است که توسط شرکت کداک تولید شده است.
5- عینک های آفتابی با کیفیت بالاشرکت نانو فیلم با استفاده از نانوفناوری، پوشش های پلیمری بسیار نازک ضد انعکاس و حفاظتی برای عینک ها ساخته است به گونه ای که شیشه آن ها در مقابل خراشیدگی مقاومت داشته و ضد انعکاس می باشد. این شرکت ابتدا لایه هایی به ترتیب با ضخامت صدو پنجاه نانومتر و بیست میکرون را بر روی سطح لنزها نشاند و سپس از فرایند خودسامانی شیمیایی برای نشاندن پوشش پلیمری بر روی سطح خارجی عدسی ها استفاده نمود. ضخامت پوشش فوق، سه تا ده نانومتر بود که عدسی ها را ضد انعکاس می کرد. پوشش فوق علاوه بر ایجاد خاصیت ضدانعکاسی برای عدسی ها، چربی و لکه ها را از روی آن برطرف و عدسی ها را حساس تر نیز می نماید.
6 – کلاه ایمنی هوشمندیکی از بزرگ ترین مشکلات موتورسواران، تغییر شرایط نور است. به عنوان مثال، ورود به تونل می تواند یک کار خیلی خطرناک باشد. هر ساله هزاران موتور سوار در تصادف های ناشی از این موضوع کشته می شوند.
شرکت سوئدی کروموژینکس مشکل فوق را با تولید نوع جدید از کلاه ایمنی با نام «آفتابگردان» حل کرده است. شفافیت این کلاه به سرعت تحت تأثیر شرایط نوری موجود با استفاده از یک فیلم نازک یا ورقه الکتروکرومیک (EC) تغییر می کند. این فیلم شامل لایه های نازک اکسید است که بین دو ورقه پلیمری انعطاف پذیر روی هم قرار گرفته اند.
7- نانو جورابنه تنها ورزشکارها بلکه اکثر مردم از عرق پا رنج می برند و نمی توانند آن را تحمل نمایند. بطور طبیعی هر پا دارای دویست و پنجاه هزار غده عرقی است ، که قادرند حدود پانصد میلی لیتر عرق در روز تولید نمایند. عرق پای ورزشکاران ناشی از قارچ هایی است که بین پنجه پا و چین و چروک پوست جمع می شوند. به تازگی جوراب هایی از جنس کتان که به وسیله نانو ذرات نقره بهبود یافته اند، توسط شرکت سول فرش وارد بازار شده است.
نانو ذرات نقره از رشد باکتری ها و قارچ ها جلوگیری نموده و بدین وسیله از چرب شدن و بد بو شدن پا جلوگیری می کند.
8 – کرم های ضد آفتابمصرف کرم های ضد آفتاب معمولی پوست را به قدری سفید می کند که حالت نامناسبی پیدا می کرد. این سفیدی ناشی از اکسید روی است. دلیل استفاده از اکسید روی آن است که فاکتورهای قبلی حفاظت در برابر آفتاب SPF معمولی فقط در برابر اشعه ماورای بنفش نوع B(UVB) از پوست حفاظت می نمودند اما اکسید روی از پوست در برابر هر دو نوع اشعه ماورای بنفش A و B (UVA و UVA) محافظت می کند. جهت حل این مشکل، شرکت BASF ماده ای به نام Z- COTE با کمک نانوفناوری ساخته است. این ماده جزء اصلی کرم جدید ضدآفتاب با نام تجاری NuCell SunSense SPF30 است. بر طبق گفته های مسئولان شرکت BASF، نانو ذرات پراکنده شده اکسید روی، جزء اصلی Z-COTE است . کاربرد نانوفناوری در Z-COTE سبب تولید نانو کریستال های اکسید روی با خلوص بالا شده، که این امر منجر به افزایش مرغوبیت کرم های ضدآفتاب می شود. از دیگر مزایای کرم های ضدآفتاب جدید، این است که Z-COTE به وسیله پوست جذب نشده و ایجاد حساسیت (آلرژی) نمی کند.
9 و 10 – توپ ها و راکت های تنیس با کیفیت بالاتوسعه پایدار مواد، به تازگی کارخانجات ساخت راکت تنیس را بر آن داشته است که از نانو فناوری استفاده نمایند. در سال دو هزار و دو (م) کارخانه فرانسوی بابولات راکت های مدل VS را که با استفاده نانو لوله های کربنی ساخته شده بودند به بازار عرضه نمود. نانولوله های کربنی صد برابر محکم تر از فولاد و شش برابر سبک تر از آن است. این مواد سبب افزایش سفتی و استحکام پایدار کننده های موجود در دو طرف راکت تنیس می شوند.
به گفته مسئولین کارخانه Babolat، راکت های نوع VS Nanotube پنج برابر مستحکم تر از راکت های کربنی موجود است و نیروی بیشتری را به توپ وارد می کنند. شرکت InMart نیز توپ های تنیسی با نام Wilson double core ساخته است که درون آن ها نانو کامپوزیت وارد شده است.InMart برای آئرودینامیک تر شدن این توپ ها، هسته داخلی آن ها را با ورقه هایی از نانو کامپوزیت های پلیمر خاک رس به ضخامت بیست میکرومتر لایه نشانی می کند(ضخامت هر کدام از این ورقه ها یک نانومتر است) در اثر این فرآیند هیچ تغییری در وزن و الاستیسیته آن ها بوجود نمی آید. قیمت این توپ ها یک و نیم دلار از قیمت توپ های معمولی بیشتر و طول عمر آن ها دو برابر توپ های معمولی است. این توپ ها هم اکنون در جام Davis مورد استفاده قرار می گیرند.

فصل پنجم

مثال هایی از موضوعات مدیریتی فناوری که بایستی در فعالیت های ترویجی به آنان توجه نموددر بخش های قبل تأکید شد که ترویج توسعه نانوفناوری به معنی معرفی نانوفناوری و کاربردهای آن نیست، ممکن است در یک برنامه ترویجی، هیچ نامی از فناوری برده نشود ولی با بیان موانع مدیریتی موجود بر سر راه توسعه کلیه فناوری های نوین و غیره، مسیر توسعه فناوری نانو را هموار نمود. برخی مثال ها در زیر ارائه شده اند:

الف) نظام مالکیت فکری :

وظیفه نظام مالکیت فکری، صیانت از فکر افراد و ایده های آن ها است و با ثبت ایده ها در قالب اختراع و پتنت و وجود ساز و کار لازم قضایی، می تواند محققین را کمک نماید، تا به اعاده حق خود پرداخته و مهم ترین سرمایه خود یعنی فکر و ایده های خود را به راحتی در اختیار دیگرا ن قرار ندهند و نگران دزدی ایده و فکر خود نباشند. متأسفانه باید گفت در کشور این نظام، وجود ندارد. نبود این نظام در کشور ما باعث بروز مشکلاتی برای محققین به خصوص محققینی که در حوزه فناوری های جدید فعال هستند، شده است ( فناوری های جدید به شدت متخصص محور و عامل جلوبرنده آن ها فکر و ایده های جدید است ). اگر امنیت فکری لازم برای متخصصان در کشور مهیا نباشد، این خطر برای محققینی که در حوزه نانوفناوری نیز می خواهند فعالیت کنند به شدت وجود خواهد داشت؛ زیرا نانوفناوری به شدت نیازمند ایده ها و افکار جدید است که لازمه آن وجود نظام مالکیت فکری برای صیانت از ایده ها و افکارنو متخصصین این حوزه است.

ب) شبکه سازی آزمایشگاه های کشور:

وجود تجهیزات آزمایشگاهی به صورت شبکه ای و سرویس دهی به موقع آن ها ، یکی از زیر ساخت های لازم برای توسعه دانش و فناوری است. در حال حاضر در کشور علاوه بر این که تجهیزات کامل آزمایشگاهی اصلی مورد نیاز حوزه فناوری نانو در کشور وجود دارد( به جز چند مورد خاص) ، ولی عدم خدمات دهی تجهیزات موجود، مشکل اساسی در این زمینه است. این مسأله به دو شکل است؛ اول اینکه مجموعه های رقیب در دادن سرویس آزمایشگاهی به یکدیگر همکاری لازم را ندارند و گاهی بین دو دانشکده این مسائل بروز می کند . ضمن این که برای گرفتن سرویس نیز پروسه طولانی بروکراسی حاکم است. مشکل دوم مربوط به خدمات فنی است که به دلیل ضعف دانش در کاربری این تجهیزات در بعضی موارد مشاهده می شود ابزاری بلا استفاده مانده یا کاربران، در درستی نتایج بدست آمده توسط اپراتورهای تجهیزات تردید دارند. این دو مشکل با شبکه سازی صحیح آزمایشگاه ها قابل رفع است.

ج) صندوق های حمایت از سرمایه گذاری ریسک پذیر:

در دنیای پیشرفته به دلیل ریسک بالای سرمایه گذاری در صنایع high-tech برای حمایت از شرکت هایی که در این زمینه ایجاد می شوند صندوق هایی برای حمایت مالی ایجاد شده است که با انجام حمایت های مالی، ریسک سرمایه گذاری در این صنایع را کاهش و انگیزه سرمایه گذاری در این زمینه ها را تقویت می نمایند. در کشور ما این ساختارها یا بوجود نیامده یا وظیفه مشخصی در این زمینه به روشنی به آن ها واگذار نشده است. این مشکل در حوزه نانوفناوری نیز می تواند باعث بروز مشکلاتی در زمینه سرمایه گذاری شود و به دلیل ریسک بالای سرمایه گذاری در این حوزه با کاهش انگیزه سرمایه گذاران برای سرمایه گذاری در این زمینه مواجه خواهیم شد.

د) اعزام دانشجو به خارج و مهاجرت مغزها:

فناوری های نو، خصوصیت بارز آن ها متخصص محور بودن است و نقش نیروی انسانی ماهر و دانشمند در توسعه آنها ، بسیار پررنگ تر از سایر فناوری ها است. معضلی که هم اکنون با آن مواجه هستیم ، مهاجرت نیروهای تحصیل کرده از کشور است که باعث از دست رفتن نیروهای کارآمد و متخصص کشور در حوزه های مختلف به خصوص hightech شده است. این مسئله عوامل مختلفی دارد که می توان به نبود صنایع high-tech در کشور ، نبود امکانات و رفاه لازم و سیاست های غلط اشاره کرد. به عنوان مثال، تاکنون کشور با هزینه های زیاد ، دانشجویانی را به صورت بورس به خارج اعزام می کرد که اکثر آنان نیز به کشور برنمی گردند. شاید اگر به جای فرستادن دانشجو، دعوت از اساتید خارج از کشور و ارایه درس توسط آنان در دستور کار قرار می گرفت ، موج مهاجرت را می توانستیم به نوعی کنترل کنیم. ضمن این که توسعه دانشگاه های داخلی و دسترسی به منابع علمی دنیا نیز به حد قابل قبولی رسیده است. از طرف دیگر ، هزینه دعوت از اساتید خارجی کمتر از اعزام دانشجو است و ضمن آن که حضور دانشجو در داخل کشور، خود از نظر بومی شدن زمینه های تحقیقاتی و پایان نامه های آنها مفیدتر به حال کشور خواهد بود، از حضور اساتید خارجی در داخل کشور نیز می توان استفاده های علمی مختلف برد.

ه) بازنگری در تعریف طرح ها

تعریف طرح های نانو فناوری باید به صورت کامل صورت گیرد تا در نهایت نتیجه مشخصی که دارای منافع اقتصادی نیز هست از آن طلب شود. متأسفانه تاکنون در کشور چنین دیدگاهی وجود نداشته است. اگر طرح های پژوهشی بصورت پراکنده و ابتر، تعریف و رها شوند، نتیجه ای جز اتلاف منابع و نرسیدن به اهداف که لااقل منافع اقتصادی را در برداشته باشد، محقق نخواهد گشت. در مورد فناوری نانو نیز لازم است در تعریف طرح ها تمام زنجیره ثمردهی فناوری از پژوهش تا تولید نیمه صنعتی و صنعتی، بازاریابی و غیره مدنظر قرار گیرد.

و) توسعه فناوری نانو الزاماً به معنی ایجاد صنایع نو نیست

متأسفانه دید غلطی که در جامعه وجود دارد و گاهی سیاست گذاران و مدیران کشور را به اشتباه می اندازد، آن است که تصور می شود توسعه یک فناوری نوین مانند فناوری نانو، به معنی ایجاد صنایع نوین و فراموش کردن صنایع قدیمی و موجود است. در حالی که یک نقش مهم فناوریهای نوین، مانند فناوری نانو، ادغام در صنایع موجود و قدیمی و ارتقا دادن آن ها در دنیای رقابت است . نانوفناوری تاکنون در صنایع مختلف ادغام شده و حتی محصولات تجاری نیز در این زمینه به بازار ارایه داده است. از جمله این صنایع می توان به صنعت سرامیک، نساجی، سیمان، لاستیک و غیره اشاره کرد. در این صنایع نانو به عنوان ارتقا دهنده مطرح می شود و با بهبود کیفیت در محصولات آنها ارزش افزوده محصولات را بالا می برد. در زیر چند مثال آمده است.
1) شیشه های همیشه تمیز: با ایجاد یک پوشش نانویی، آلودگی به این شیشه ها نمی چسبد؛ این کار را می توان در مورد ظروف چینی و کاشی نیز انجام داد
2) لباس های ضد چروک و همیشه تمیز: با اضافه کردن الیافی با اندازه نانو و پخش آنها در سطح لباس، از کثیف شدن و چروک شدن آنها جلوگیری می شود.
3) اضافه کردن نانو ذرات به سیمان و بالا بردن سیالیت آن که به نحو بسیار مطلوبی نفوذپذیری آن را در برابر آب کاهش می دهد.
4) با افزودن نانو ذرات به لاستیک ها، می توان امیدوار بود لاستیک هایی با عمر بالا و مقاوم در برابر سایش ساخته شود.

ز) تقدم مصالح کشور بر مصالح سازمانی در مدیریت فناوری نانو

از دیگر مسائلی که می تواند توسعه فناوری را تحت الشعاع قرار دهد، وجود نداشتن دید کلان در بین مدیران بخش های مختلف تصمیم گیری و ترجیح تصمیمات بخشی بر تصمیمات ملی است. متأسفانه در موارد متعدد مشاهده می شود که تصمیم گیران، سعی در حفظ منافع سازمانی خود دارند و منافع کل کشور را در نظر نمی گیرند. در اثر این تفکر، نمی توان سیاست گذاری درستی انجام داد و بدین گونه روند کارها کند شده و بودجه های محدود موجود نیز در زمینه های غیرمطلوب هزینه می شوند. مدیران متخصص، متعهد و دارای تفکر فرابخشی که مصالح کشور را به مصالح سازمانی ترجیح می دهند، باید تصمیمات و سیاستگذاری ها را در اختیار داشته باشند. با وجود چنین نیروهایی، کشور ما خواهد توانست در زمینه فناوری نانو پیشرفت نماید.

ح) ضرورت اولویت بندی در فناوری نانو

بودجه مثل رودی است که می توان آن را در چنان سطح وسیعی جاری ساخت که به هر مترمربع، قطره آبی بیش نرسد؛ یا می توان با تأمل و دقت این رودخانه را در سطح محدود و مؤثری جاری ساخت، به گونه ای که باعث آبیاری کامل و مفید این سطح محدود شود. یکی از مشکلات در تخصیص بودجه ها به همین موضوع باز می گردد.بودجه ، بدون اولویت بندی در تخصیص، در طرح های بسیاری تقسیم می شود و در نتیجه بودجه اندکی به هر طرح اختصاص می یابد. اغلب این طرح ها نیز در همان ابتدای کار متوقف شده و به نتیجه نمی رسند. اگر به جای تقسیم بودجه در این همه طرح، تمام انرژی و سرمایه موجود روی سه یا چهار صنعت مهم و کلیدی صرف شود. توانمندی کشور در حوزه فناوری ناو به سطح قابل قبولی خواهد رسید.

ط) لزوم در نظرگرفتن جایگاه استاندارد و تأیید محصولات در فناوری نانوچ

نداشتن یک مرکز ملی استانارد و تأیید کیفیت به عنوان مرجع در حوزه فناوری نانو، می تواند یکی از برزگ ترین معضلات در این فناوری باشد. به عبارت دیگر وجود یک مرکز ملی قوی که بتواند برای محصولات و مواد نانو استاندارد تدوین کرده و محصولات و مواد نانو ساخته شده در کشور و یا انوع وارداتی را آزمایش و تأیید نماید، امری لازم است. در واقع سازمان مرجع باید مرکز منسجمی باشد، که علاوه بر داشتن اعتبار کافی و بین المللی، توانایی و امکانات لازم برای کنترل کیفی طیف گسترده ای از فرآورده های فناوری نانو، مطابق با استانداردهای جهانی یا ملی را دارا باشد.

ی ) نیاز به نیروی متخصص

فناوری نانو هنوز حوزه جدیدی از فناوری در سطح جهان است و بالطبع در کشور ما نیز حوزه جدیدی به حساب می آید. به همین دلیل هنوز نیروهای متخصص در این حوزه مجموعه بسیار کوچکی را تشکیل می دهند. باتوجه به گسترش روز افزون این فناوری و نیاز کشور به تحقیق و پژوهش در این زمینه، این تعداد نیروی انسانی پاسخ گو نبوده ونیاز روز افزونی به پرورش نیروی انسانی توانمند و صاحب نظر در این حوزه چه از حیث تخصصی و چه از حیث مدیریتی به شدت احساس می گردد.

ک) پرورش روحیه کار گروهی بین فعالان در حوزه فناوری نانو

در کشور متأسفانه روحیه همکاری، بین محققین و بین مراکز تحقیقاتی کم است. در حالی که امروزه بزرگترین تحقیقات و در نتیجه یافته های علمی، با همکاری مراکز تحقیقاتی مختلفی که هر کدام در گوشه ای از جهان فعالیت می کنند، به وقوع می پیوندند. امروزه در تحقیقات، مرزهای جغرافیایی کمرنگ شده اند. پروژه های مختلف فناوری نانو در یک آزمایشگاه انجام نمی شوند، بلکه بین مراکز متعددی در کشورهای مختلف تقسیم بندی شده و هر مرکز گوشه ای از کار را انجام می دهد؛ در حالی که در کشور ما نه تنها مراکز با هم همکاری چشمگیری ندارند، بلکه حتی محققان ما در یک بخش تحقیقاتی چه در یک دانشگاه یامرکز تحقیقاتی نمی توانند با هم کار کنند. امروزه علوم به قدری گسترده شده اند که انجام یک پروژه برای یک محقق به تنهایی کاری غیرممکن است و اگر تحقیقات در قالب تیم های چند نفره صورت بگیرد، خیلی سریع تر جواب خواهد داد. اگر بخواهیم این مشکل را ریشه یابی کنیم به دو عامل بر می خوریم .
الف) ریشه فرهنگی
ب) ریشه مدیریتی
الف) ریشه فرهنگی : در کشور ما همیشه نخبه گرایی و نخبه ستایی رسم بوده و همیشه دنبال یک ستاره تنها هستند تا از او تمجید کنند؛ به اصطلاح دنبال ابوعلی سینا یا ابوریحان هستند. در حالی که امروز باید تیم های ستاره را بسازیم و ستایش کنیم. این فرهنگ باید از کودکی به طور صحیح آموزش داده شود. باید کودکان را به کارهای تیمی تشویق کنیم. (نه به کارهای انفرادی).
ب ) ریشه مدیریتی: در محافل مختلف می بینیم که موقع ارزشیابی اعضای هیئت علمی، اشتباهی که کارهای تحقیقی انفرادی انجام داده اند، امتیاز بیشتری نسبت به کسانی که برای مثال دو نفری کار کرده اند، می گیرند و کیفیت پروژه ها در درجه چندم اهمیت قرار می گیرد و این در واقع خود دلیلی گرایش نداشتن به کارهای تیمی است.

ل) پژوهش ، مکمل انتقال فناوری

فناوری نانو، فناوری است که مبنای آن بر تحقیقات استوار است و بدون تحقیق نمی توان در این زمینه حرفی برای گفتن داشت. از سوی دیگر برای توسعه فناوری نانو در کشور از طریق انتقال فناوری باید به بومی سازی فناوری نیز توجه نمود. بومی سازی فناوری بدون بسط و گسترش دامنه تحقیقات میسر نمی شود. در واقع به کمک تحقیقات داخلی می توان دانش فنی روز این فناوری را در کشور کسب نمود. کشورهایی مثل کره جنوبی و ژاپن ابتدا از طریق انتقال فناوری توانستند پیشرفت های قابل ملاحظه ای کسب نمایند. ولی در کنار آن به تحقیقات برای بومی سازی و گسترش آن توجه داشته اند.

م) فرصتی گران قیمت

فرصتی گران قیمت برای فعالیت در نانو فناوری با توجه به جوان بودن آن این فناوری نوین بر خلاف علوم و فناوری قدیمی، هنوز مسیر زیادی تا رسیدن به نقطه اوج خود در چرخه عمر در پیش دارد. بنابراین امکان تغییر و تحول در آن بسیار زیاد است واز طرف دیگر فاصله ما با دنیا خیلی زیاد نیست و بازار اشباع نشده است. در فناوری های نویی مانند فناوری نانو، اگر وارد هسته اولیه بشویم و مدتی هزینه کنیم، بعد از آن بازدهی شیب تندی داشته و رشد آن بسیار زیاد خواهد شد. در واقع فناوری های نو، دارای رشد بالایی هستند؛ در حالی که فناوری های جاافتاده ای از قبیل خودروسازی، بیش از ده یا پانزده درصد رشد نخواهد داشت. باید توجه کرد که اتخاذ استراتژی مناسب در این حوزه نوین می تواند تأمین کننده بسیاری از نیازهای ملی ما باشد.
منبع:www2.irib.ir

فن آوری و نانو تکنولوژی(قسمت دوم)

فن آوری و نانو تکنولوژی(قسمت دوم)
صنایع هوایی

سوژه های بخش صنعت هوایی و حمل و نقل هوایی، محدود به اخبار تأخیرهای پرواز و سوانح نیست. نباید طوری ترویج کرد که اعتماد به توان داخلی کاهش یابد. گاهی تبلیغی می کنیم که در دنیا فقط یکی دو کشور در صنعت هوایی موفق هستند و حتی ژاپن هم نتوانسته به جایی برسد. (در حالی که ژاپن سی درصد بوئینگ 777 و پنجاه درصد بوئینگ 7E7 را می سازد) . یا گاهی تحت تأثیر تبلیغات دلال های شرکتهای غربی، صنعت هوایی شرق را تحقیر می کنیم و ذهن مردم را منحرف می کنیم و متوجه نیستیم که با این کار در واقع تنها گزینه همکاری کشور با صنایع هوایی پیشرفته جهان را از بین می بریم. (چون در غرب با مسأله تحریم روبرو هستیم) . همین فضاهای فکری روی تصمیم گیری های کشور تأثیری گذاشته و باعث شده است که در آینده نزدیک، حتی توان به پرواز در آوردن هواپیما را هم نداشته باشیم و خطوط هوایی خارجی، مسافران پروازهای داخلی ما را جابه جا کنند و سرشکستگی برای کشور به وجود آید. وقتی که شاهد هستیم بعضی خریدهای هواپیما به طور خفت بار انجام می شوند( راضی می شوند که نه تنها تعمیرات هواپیما، بلکه تأمین خلبان و خدمه هواپیما هم توسط شرکت خارجی انجام شود! ) باید به این مسائل هم در ترویج بپردازیم. برای مثال به جای این که یک مهندس هوافضا را که یک هواپیمای مدل ساخته است، به تلویزیون دعوت کنیم و خبرسازی کنیم (که البته آن هم در جای خود خوب است) ، می توانیم موانعی را که بر سرراه توسعه صنعت هوایی در کشور وجود دارد مطرح کنیم. این مخترعینی که از آنان تجلیل می شود، بالاخره بایستی تلاش خود را در قالب صنعت هوایی انجام دهند و اگر این صنعت در کشور رشد نکند، چاره ای جز مهاجرت به خارج نخواهد داشت. لذا اگر ما می خواهیم به بحث «تولید علم» و «تولید فناوری» در حوزه صنعت هوافضا که صنعتی کلیدی و استراتژیک است بپردازیم. باید موانعی را که موجب می شود این صنعت رشد نکند شناسایی کرد. وقتی که سیاست های خرید هواپیما در کشورمتناقض با توسعه فناوری است. اگر طالب تولید علم و توسعه فناوری هستیم، باید طوری خبرسازی شود تا مسؤولان این سیاست ها مورد سؤال قرار گیرند.

صنعت مخابرات

مسأله مخابرات هم شبیه به حمل و نقل هوایی است. در صنعت مخابرات هم به دلیل آن که به صنعت و کارشناسی داخلی توجه نشده است. حتی در سطح بهره برداری هم دچار مشکل شده ایم. این وضع موبایل در کشور است که می بینیم. حتی کشورهای همسایه ما نیز از ما پیشی گرفته اند. در حالی که قابلیت های صنعتی ما بسیار از آن ها بیشتر است . چرا مردم را با این پیشرفت ها آشنا نکنیم و انتظار آنان را بالا نبریم؟ اگر آنان این انتظارات را نداشته باشند، مسؤولین مخابرات هم تلاش جدی در رفع آن نخواهند کرد. اگر در صنعت هوایی کارشناس داخلی را تحقیر کردیم، مطمئن باشید در بهره برداری از هواپیما نیز دچار مشکل می شویم. اگر در مخابرات نیز به صنعت و فناوری توجه نکردیم، در بخش اپراتوری و ارائه خدمات مخابراتی به مردم نیز دچار مشکل می شویم و خدمات غیرکیفی را بسیار دیر و گران به مردم ارائه می دهند. اگر به مردم خبر ندادیم که امروز شرکت مخابرات، چهل میلیارد تومان به صنعت داخلی بدهکار است، اگر به مردم خبر ندادیم که چه برخوردهایی با کارشناسان شده و چه کارشناسانی از این کشور مهاجرت کرده اند؛ اگر کارشناس و مهندس داخلی را که تحقیر شده است (همچون فلان فوتبالیست که به خاطر تحقیر، در تیم ملی شرکت نمی کند) در برنامه های تلویزیون دعوت نکردیم، نه تنها از منابع صنعت مخابرات و صنایع الکترونیک که بسیار درآمدزا و اشتغال زا هستندف کشور را محروم کرده ایم، بلکه حتی در بخش خدمات مخابرات نیز دچار مشکل می شویم (همان بحثی که مردم بطور مستقیم با آن سرو کار دارند).

کیفیت برق

چرا مردم نباید بدانند کیفیت برق کشور ضعیف است و باعث خرابی و کاهش عمر لوازم آنان می شود. بسیاری از این مسائل، راه حل های ساده و در دسترس دارند . لذا نگرانی این نیست که نتوان انتظارات مردم را در کوتاه مدت برآورده کرد. برای نمونه در برق کشور، انواع و اقسام هارمونی ها و عدم تعادل ها وجود دارد که باعث اتلاف برق در شبکه و خرابی لوازم برقی می شود. با این برق، شاید لامپ کم مصرف براستی کم مصرف نباشد و طبق گفته کارشناسان، تلفاتی که استفاده از این لامپ در شبکه برق کشور ایجاد می کند، از صرفه جویی مصرف آن بیشتر است. برای حل این مشکلات و ارتقای کیفیت برق کشور، راه حل وجود دارد. لذا می توان انتظار مردم را بالا برد.

فناوری در سوژه های تاریخی

اغلب در زندگی شخصیت تاریخی کشور، به ابعاد عرفانی ، سیاسی و غیره آنان می پردازیم. برای نمونه تأثیر عمیقی که امیرکبیر در توسعه فناوری داشته است، چندان به تصویر کشیده نشده است. البته به تازگی در سریال ملاصدرا،که بسیار جذاب است، جایگاهی که شیخ بهایی در مسائل فناوری آن زمان داشت تا حدودی مطرح شد. ولی می توانست پررنگ تر نیز مطرح شود. حتی شخصیت هایی در تاریخ کشور داریم که در جهان با بحث فناوری شناخته شده اند(مثل ابن هیثم) ، چرا آنان را معرفی نمی کنیم؟

فصل چهارم

معرفی نانوفناوری و کاربردهای آننانو فناوری به عنوان جدیدترین حوزه فناوری در دنیا، مورد توجه اکثر کشورها قرار گرفته است. برای آشنایی بیشتر هنرمندان عزیز با این فناوری به معرفی و تبیین آن می پردازیم.

4-1) تعریف نانوفناوری و آشنایی با آن

نانوفناوری در تعریف بسیار ساده، یعنی تکنولوژی هایی که در ابعاد نانومتر عمل می کنند. نانومتر واحد اندازه گیری است و برابر با10-9 یک میلیاردم متر یا متر است. اندازه اتم ها و مولکول ها در این محدوده قرار دارد. بنابراین با ورود به این فضای کوچک، بشر می تواند در نحوه آرایش و چینش اتم ها و مولکول ها دخالت کند و به ساخت مواد جدید و ساختارهایی متفاوت با آن چه تاکنون وجود داشته است، بپردازد. نانوفناوری که از دو کلمه «نانو» و «فناوری» تشکیل شده است به معنای توسعه، ساخت، طراحی و استفاده از محصولاتی است که اندازه آنها یک تا صد نانومتر قرار دارند. در حقیقت نانوفناوری یک فناوری جدید نیست. بلکه یک مقیاس جدید در فناوری ها و رویکردی تازه در تمام رشته‌ها است ؛ که این توانایی را به بشر می دهد، که بتواند دخالت خود را در ساختار مواد گسترش دهد و در ابعاد بسیار ریز ، به ساخت و طراحی اقدام کند. این توانایی می تواند در تمام فناوری هایی که بشر تاکنون به آن دست یافته است، اثر گذار باشد.

4-2) کاربردها و اهمیت نانوفناوری

اگر چه هنوز نانوفناری در آغاز حیات خود قرار دارد، ولی در همین چند سال اخیر امیدهای زیادی را در بین دانشمندان برای دستیابی به مواد با قابلیت های بالا و ساخت محصولات با عمر و کیفیت بالا ایجاد کرده است. تولید نانوتیوب های کربنی (ساختارهای لوله ای کربنی) ماده ای در اختیار بشر قرار داد که رساناتر از مس، مقاوم تر از فولاد و سبک تر از آلومینیوم است. همچنین با ساتفاده از نانو ذرات، می توان سطوح خود تمیز شونده یا همیشه تمیز ساخت و ریایش مغناطیسی را چندین برابر نمود. لاستیک های با عمر بالای ده سال و دارورسانی به تک سلول های آسیب دیده در بدن، از توانایی هایی ست که بشر به مدد نانوفناوری به آن دست یافته است. دانشمندان امیدوارند با گسترش فعالیت ها در نانوفناوری، علاوه بر صرفه جویی هایی که در اثر ارتقای کیفیت در محصولات سنتی ایجاد می کنند، به مواد و محصولات با خواص جدید و چند منظوره دست یابند. اگر بپذیریم که نانوفناوری، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی، اتمی و استفاده از خواص آن سطوح است. آن گاه درمی یابیم کاربردهای این فناوری، در حوزه های مختلف اعم از غذا، دارو، تشخیص پزشکی، فناوری زیستی، الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی ، محیط زیست ، مواد، هوافضا، امنیت ملی و غیره خواهد بود؛ به گونه ای که به زحمت می توان عرصه ای را که از آن تأثیر نپذیرد معرفی نمود. کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فناوری را به عنوان یک زمینه فرا رشته ای و فرابخشی مطرح نموده است.هر چند آزمایش ها و تحقیقات پیرامون نانوتکنولوژی از ابتدای دهه هشتاد قرن بیستم به طور جدی پی گیری شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باورنکردنی نانوفناوری در روند تحقیق و توسعه باعث گردید، نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهم ترین اولویت های تحقیقاتی خویش، طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند.استفاده از این فناوری در کلیه علوم پزشکی ، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الکترونیک ، کامپیوترهای کوانتومی و ... باعث شده است، تحقیقات در زمینه نانو به عنوان یک چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. لذا محققین ، اساتید و صنعت گران ایرانی باید در یک بسیج همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و با یک برنامه ریزی علمی دقیق و کارشناس شده به حضوری فعال و حتی رقابتی سالم در این جایگاه، عرض اندام و ابراز وجود نمایند. برای چنین هدفی ، طراحی یک برنامه منسجم، فراگیر و همه جانبه اجتناب ناپذیر است.

4-3) تاریخچه ای از ظهور نانوفناوری

چهل سال پیش ریچارد فایمن، متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، در سخنرانی معروف خود در سال هزار و نهصد و پنجاه و نه میلادی با عنوان «آن پایین، فضای بسیاری هست» ، به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت. وی در آن زمان اظهارکرد: «اصول فیزیک، تا آن جایی که من توانایی فهمیدن آن را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی زنند.» او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفته اند چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های کوچک بسازند، پس ما خواهیم توانست که آن ها را کوچک و کوچک تر کنیم. در واقع آن ها به مرزهای حقیقی خود در لبه های نامعلوم کوانتوام نزدیک خواهند بود. به نحوی که اتم را در مقابل دیگری به گونه ای قرار دهیم که بتوانیم کوچک ترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد کنیم. با استفاده از این فرم های بسیار کوچک چه وسایلی را که نمی توانیم، ایجاد کنیم. فایمن در ذهن خود یک «دکتر مولکولی» تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد کوچک تر است و می تواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تأیید سلامتی سلول ها و یا انجام اعمال ترمیمی و به طور کلی برای نگه داری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد. می توان گفت در آن سال ها کلمه «بزرگ» از اهمیت ویژه ای برخوردار بود (مثل علوم بزرگ، پروژه های مهندسی بزرگ و غیره ؛ حتی کامپیوترها در دهه هزار و نهصد و پنجاه (م) تمام طبقات ساختمان را اشغال می کردند) . ولی از وقتی فایمن نظرو منطقه خود را بازگو کرد، جهان روندی به سوی کوچک شدن در پیش گرفت. پس از آن، ماروین مینسکی تفکرات بسیار باروری داشت ، که می توانست به اندیشه های فایمن قوت ببخشد. میسنکی پدر علم هوش مصنوعی است و در دهه هزار و نهصد و شصت تا هفتاد (م) جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده می شد، رهبری کرد. در اواسط دهه هفتاد میلادی، اریک در کسلر که یک دانشجوی فارغ التحصیل بود، میسنکی را به عنوان استاد راهنما جهت تکمیل پایان نامه خود انتخاب کرد. او نیز این مسؤولیت را بر عهده گرفت. در کسلر سخت به وسایل بسیار کوچک فایمن علاقه مند شده بود و قصد داشت تا در مورد توانایی های آنان به کاوش بپردازد. مینسکی نیز با وی موافقت کرد. در کسلر در اوایل دهه هشتاد(م) ، درجه استادی خود را در رشته علوم کامپیوتر دریافت کرد و گروهی از دانشجویان را به صورت انجمنی به دور خودجمع نمود. او افکار جوان ترها را با یک سری ایده ها که خود «نانوفناوری» نام گذاری کرد، مشغول است. در کسلر اولین مقاله علمی خود را در مورد نانوفناوری مولکولی (MNT) در سال هزار و نهصد و هشتاد و یک ارایه داد. او کتاب Engin of Creation: The Coming Era of Nanotechnology را در سال هزار و نهصد و هشتاد و شش به چاپ رساند. در کسلر اولین درجه دکتری در نانوفناوری را در سال هزارونهصد و نود و یک از دانشگاه MIT دریافت کرد.

4-4) اهمیت نانوفناوری برای کشور ما

بسیاری از صاحب نظران و محققان، نانوفناوری را مساوی آینده می دانند. به عنوان نمونه کمیته مشاوران رئیس جمهوری آمریکا در علوم و فناوری، در تأیید برنامه ملی نانوتکنولوژی برای سال دو هزار و یک میلادی، از نانوفناوری به عنوان محور آینده جهان یاد می کند. به دلیل تأثیر این فناوری بر اکثر صنایع و فناوری های موجود، عقیده صاحب نظران این است که متخصصان رشته های مختلف بدون گرایش به مباحث نانو در دهه های آینده، فرصتی برای رشد نخواهند داشت و شکوفایی بسیاری از فناوری های مهم از جمله فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی به عنوان دو دستاورد بسیار عظیم قرن بیستم بدون بهره گیری از نانوفناوری دچار اختلاف خواهند شد. از این جهت این مسئله برای دانشگاهیان، محققان و مسؤولان هر کشور امری حیاتی است. به عبارت دیگر می توان گفت، اولویت کشور هر صنعت و فناوری که باشد، بدون تسلط بر ابعاد نانو، در دنیای جدید نمی توان در آن صنعت و فناوری حرفی در دنیا زد. بنابراین می توان دلایل زیر را برای اجتناب ناپذیری ورود کشورهایی چون ایران اقامه نمود. تآثیر اساسی نانوفناوری در رشد و پیشرفت بسیاری از صنایع و فناوری ها ماهیت فرا رشته ای علوم و فناوری نانو به عنوان توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید با دقت اتم و مولکول، موجب تعریف کاربردهای بسیار زیادی در عرصه های مختلف علمی و صنعتی شده است. برای نانوفناوری کاربردهای بسیاری را در حوزه های دارو، غذا، بهداشت ، درمان بیماریها، محیط زیست ،انرژی ، الکترونیک ، کامپیوتر، اطلاعات ، مواد ، ساخت ، تولید ، هوا فضا ، بیوتکنولوژی و کشاورزی، امنیت ملی و دفاع برشمرده اند. لذا مشاهده می شود که نانوفناوری در صنایع و تمام فناوری ها تأثیر گذاشته است . این تأثیر اغلبً ریشه ای و بنیادین است. به عنوان نمونه در بخش پزشکی و بهداشت، یک زمینه کاری بسیار مهم، نانوفناوری، سیستم توزیع دارو در داخل بدن است. مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمی است؛ در حالی که سلول های خاصی از بدن نیازمند آن است. در روش جدید، دارو با وسایل تزریق متفاوت با امروزه به صورت مستقیم به سمت سلول های مشخص جهت گیری شده و دارو به محل نیاز تحویل داده می شود. این تحول در صنعت داروسازی بنیادین است.

تأثیرات امنیتی نانوفناوری (فرصت و تهدید)

از نظر دفاعی، نانوفناوری برای کشورها، هم فرصت و هم تهدید است، به لحاظ کاربردهای بسیار زیادی که این فناوری می تواند در امور نظامی داشته باشد، گرایش زیادی در بخش دفاعی کشورها به تحقیق و توسعه نانوفناوری صورت گرفته است. این کاربردها از لباس های مانع خطر تا پرنده های بسیار کوچک، تجهیزات اطلاعاتی و بسیاری موارد دیگر است که هم اکنون با حمایت وزارتخانه های دفاع کشورهایی چون: آمریکا، ژاپن و برخی کشورهای اروپایی به صورت پروژه های تحقیقاتی در حال انجام هستند. از این جهت این فناوری برای کشورها یک تهدید محسوب می شود. اما برای کشورهایی که بتوانند با استفاده از روند موجود، جایگاهی را در آینده امنیت جهانی برای خود در نظر بگیرند، یک فرصت خواهد بود. این کاربردها بسیار متنوع هستند، هر کشوری می تواند زمینه ای را برای پیشگامی در جهان سهم خود نماید و در آینده ی رقابت های بین المللی نقشی داشته باشد.

شکل گیری بازارهای بسیار بزرگ جدید

شواهد موجود نشان می دهد که درصد بالایی از بازارهای جدید محصولات مختلف متکی برنانوفناوری خواهد بود. به همین دلیل دولت ها و شرکت های بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روکوه، رئیس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاست جمهوری آمریکا طی مقاله ای در ماه «می» سال دو هزار و یک (م)، پتانسیل نانوفناوری برای تغییر چشمگیر در اقتصادی جهانی را یادآوری نموده است. بر مبنای پیش بینی وی و اعتقاد بخش دیگری از صاحب نظران در ده الی پانزده سال آینده، نانوفناوری بازار نیمه هادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد . خبرهایی نیز که به تازگی از شرکت های اصلی سازنده پردازنده های کامپیوتر در آمریکا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده های حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا قبل از ده سال آینده حکایت دارد. به عنوان مثال شرکت اینتل اعلام نموده است که در سال دو هزار و هفت پردازنده های متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بسیار بیشتر و مصرف کمترنسبت به آخرین دستاوردهای امروزی نیمه هادی ها، وارد بازار خواهد کرد. در بخش دارو نیز پیش بینی شده است تا ده الی پانزده سال آینده نیمی از این صنعت متکی بر نانوفناوری خواهد بود که خود نیاز به وسایل تزریق جدید و آموزش های پزشکی روزآمد خواهد داشت. همچنین در صنایع شیمیایی، فقط ذکر بازار صد میلیارد دلاری کاتالیست ها که تا 10 سال آینده به طور کامل متکی بر کاتالیست های نانوساختاری خواهد بود؛ برای نشان دادن اهمیت بحث کافی است. همچنین از هم اکنون بازار بزرگی برای بکارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شکل گیری است. موادی که می تواننند خواص جدید و فوق العاده ای به محصولات موجود بخشیده و موجب کاهش قیمت آن ها شوند. به عنوان نمونه نانولوله های کربنی (Carbon Nanotubes) با وزن بسیار کمتر و استحکام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تأثیر قرار خواهد داد.

4-5) تقسیم بندی های فنی و صنعتی نانوفناوری

نانوفناوری را هم از نظر شاخه های علمی و فنی آن و هم از نظر کاربردهای صنعتی می توان دسته بندی نمود. برخی از شاخه های علمی و فنی آن عبارتند از : الف – نانوپودر
ب – نانوسرامیک
ج – نانوالکتریک
د– نانوپزشکی
ه- نانوزیست فناوری
نمونه ای از تقسیم بندی کاربردهای آن نیز در زیر آمده است.
الف) کاربرد در ساخت مواد نانوفناوری تغییر بنیادی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد جدید خواهد شد و انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آن ها ایجاد خواهد کرد. محققین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد، که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجاد آن نیست. برخی از مزایای مواد نانوساختار عبارتست از : مواد سبک تر، قوی تر و قابل برنامه ریزی، کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعه های نقص فنی؛ ابزارهایی نوین بر پایه اصول و معماری جدید؛ بکارگیری کارخانه های مولکولی یا خوشه ای که مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند. این مواد می توانند، کاربرهای مختلفی را در صنایعی همچون: صنعت هواپیمایی، صنعت خودرو، لوازم خانگی و غیره ایجاد نماید.
ب) کاربرد در پزشکی و بدن انسان: سیستم های زنده را رفتارهای مولکولی در مقیاس نانومتر اداره می کنند. مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیست شناسی و شبیه سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت در حال گرایش هستند.اکنون نگرش هایی به سمت استفاده از ابزارها و سیستم های نانوساختاری، بوجود آمده است که فرآیند آزمایشگاهی کنونی توالی ژنی (genome sequencing) را به نحو شگرفی با استفاده از سطوح و ابزارهای نانو ساخته (nanofabricated) دگرگون کرده است. افزایش قدرت انسان برای ترسیم سرشت ژنتیکی یک فرد، روش های شناسایی و درمان را دگرگون می کند.فراتر از سهل شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو (Drug Delivery) تهیه کند، که به نحو حیرت انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می دهد.همچنین افزایش قابلیت های نانوتکنولوژیکی، به طور خاص مطالعات بنیادی زیست شناسی و پاتولوژی سلولی را تقویت خواهد کرد. در نتیجه پیشرفت ابزراهای تحلیل گر جدید که قادر به شناسایی جهان نانومتر باشند، این امر بسیار محتمل خواهد بود؛ که بتوان خواص شیمیایی و مکانیکی سلول ها (از جمله: فرآیندهایی هم چون تقسیم سلولی و غیره) را اندازه گیری و تغییر داد. این قابلیت ها تکمیل کننده ( و به شدت پشتیبانی کننده) تکنیک های مرسوم در علوم حیات هستند.مواد زیست سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهد شد. نانو مواد سنتزی معدنی و آلی را مثل، اجزای فعال، می توان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی سازی به کار می رود) درون سلول ها وارد نمود.افزایش توان محاسباتی بوسیله نانوفناوری، ترسیم وضعیت شبکه های ماکرومولکولی را در محیط های واقعی ممکن می سازد. این گونه شبیه سازی ها برای بهبود قطعات کاشته شده زیست سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهد بود.شناسایی و ترمیم زخم ها و آسیب های بافتی همانند، ساختارهای طبیعی ( مانند گلبول های سفید و مولکول های ترمیم کننده زخم) در اندازه های نانو است. نیز با استفاده از این فناوری امکان تشخیص سریع بیماری های صعب العلاج و سرطانی امکان پذیر است. با استفاده از این فناوری جدید در دراز مدت می توان تومورهای مغزی را به درستی تشخیص داد و بدون آسیب زدن به بافت های سالم و با استفاده از پرتودرمانی این بیماری را بهبود بخشید ، که برای بیماران سرطانی بسیار مایه امید است.نانو کپسول های تولیدی با استفاده از فناوری نانو، دارای موادی مانند: ویتامین A، رتینول و بیاکاروتن خواهند بود، که باید به لایه های عمقی پوست منتقل شوند تا بیشترین خواص ضد پیری و سایر خواص دارویی خود را بروز دهند.با کارگذاری نانو ذرات فعال نوری در داخل گلبول های سفید خون، موفق به شناسایی سلول های آسیب دیده خواهیم شد.
ج) کاربردهای نانو در کشاورزی، آب، انرژی و میحط زیست نانوفناوری ، منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهد داد. همچنین فناوری های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست ، علوم و مهندسی، نانو می تواند تأثیر قابل ملاحظه ای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می دهد، در ایجاد و درمان مسائل زیست محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده ها، در توسعه فناوری های «سبز» جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا د رجریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته باشند. لازم به ذکر است ، نانوفناوری توان حذف آلودگی های کوچک از منابع آبی ( کمتر از دویست نانومتر) و هوا (زیر بیست نانومتر) و اندازه گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق وسیع تر را دارد.در زمینه انرژی، نانوفناوری می تواند به طور قابل ملاحظه ای کارآیی، ذخیره سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده، مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال، شرکت های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت شده یا نانوذرات را ساخته اند، که می تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل ها شود. استفاده گسترده از این نانو کامپوزیت ها می تواند سالیانه یک و نیم میلیارد لیتر صرفه جویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد.نیز انتظار می رود تغییرات عمده ای در فناوری روشنایی در ده سال آینده رخ دهد. می توان نیمه هادی های مورد استفاده در دیودهای نورانی (LEDها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در آمریکا، حدود بیست درصد کل برق تولیدی، صرف روشنایی (چه لامپ های التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می شود. مطابق پیش بینی ها در ده تا پانزده سال آینده، پیشرفت هایی از این دست می تواند مصرف جهانی را بیش از ده درصد کاهش دهد که یک صد میلیارد دلار در سال صرفه جویی و دویست میلیون تن کاهش انتشار کربن به همراه خواهد داشت.در زمینه آب، باید گفت جمعیت جهان د رحال افزایش و منابع آب آشامیدنی در حال کاهش است. سازمان ملل پیش بینی می کند که در سال دو هزار و بیست و پنج ، حدود چهل و هشت کشور (معادل سی و دو درصد جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی باشند. تخلیص و نمک زدایی آب از زمینه های مورد توجه در دفاع پیش گیرانه و امنیت زیست محیطی است. چرا که در سطح جهان ممکن است در آینده با مشکل کمبود آب مواجه شویم. استفاده از آب شرب با دو برابر سرعت افزایش جمعیت و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی نیز تشدید می شود، افزایش می یابد. دستگاه هایی به کمک نانوفناوری ساخته شده اند، که آب دریا را با انرژی ده برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس و لااقل صد برابر کمتر از تقطیر، نمک زدایی می کنند. این فرآیند کاراز نظر مصرف انرژی کاملاً عملی است، چون الکترودهای با مساحت سطحی بسیار بالا ساخته شده اند، که از طریق کنار هم قراردادن نانولوله های کربنی و دیگر ابتکارات طراحی، رسانای الکتریسته شده اند. همچنین نانوفناوری به طور مستقیم در پیشرفت کشاورزی سهیم خواهد بود. از جمله : مواد شیمیایی سازگار با زیست که برای تغذیه گیاه یا حفظ آن در برابر حشرات به شکل مولکولی طراحی شده اند، ارتقای ژنتیکی گیاهان و حیوانات، انتقال ژنها و داروها به حیوانات؛ انتقال ژن ها و دارو به حیوانات، امکان سازگاری گیاهان با خشکسالی و شوری و ...
د) کاربردهای نانوفناوری در هوافضا و امنیت ملیمحدودیت های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریت های طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب ناپذیر می سازد. مواد و ابزار آلات نانوساختاری ، امید حل این مشکل را بوجود آورده است.«نانو ساختن» (Nanofabrication) همچنین در طراحی و ساخت مواد سبک وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، مورد نیاز برای هواپیماها ، راکت ها، ایستگاه های فضایی و سکوهای اکتشافی سیاره ای یا خورشیدی، تعیین کننده است. همچنین استفاده روزافزون از سیستم های کوچک شده تمام خودکار، منجر به پیشرفت های شگرفی در فناوری ساخت و تولید خواهد شد. این مسأله باتوجه به این که محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلاء بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستم های نانو که ساخت آن ها در زمین ممکن نیست ؛ در فضا خواهد شد.برخی کاربردهای دفاعی نانوفناوری نیز عبارتند از : تسلط اطلاعاتی از طریق نانوالکتریک پیشرفته به عنوان یک قابلیت مهم نظامی، امکان آموزش مؤثرتر نیرو به کمک سیستم های واقعیت مجازی پیچیده تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری، استفاده از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی، دستیابی به کارایی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بیشتر) مورد نیاز در صحنه های نظامی و در عین حال تعداد دفعات نقص فنی کمتر، هزینه کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته ای، بهبود طراحی در سیستم های مورد استفاده در کنترل و مدیریت تکثیر نشدن هسته ای، و تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستم های دفاع هسته ای ، در بسیاری موارد، فرصت های اقتصادی و نظامی مکمل هم هستند. کاربردهای درازمدت نانوفناوری در زمینه های دیگر، پشتیبانی کننده امنیتملی است و بالعکس.
ذ – کاربرد نانوفناوری در صنایع بهداشتی و آرایشی استفاده از مواد غیرآلی به عنوان جاذب اشعه خورشید جهت کاربرد در ضد آفتاب ها، انقلاب بزرگی در صنایع بهداشتی و دارویی به وجود آورده است. استفاده از نانو ذرات اکسید روی برای کرم های ضد آفتاب و نیز به عنوان ضد التهاب و نانو ذرات اکسید تیتانیوم برای کاهش صدمات ناشی از آسیب روز افزون اشعه ماورای بنفش بر روی پوست، گسترش پیدا کرده است. استفاده از نانو ذرات اکسید تیتانیوم و سیلیکون بر روی صورت سبب می شود پوست صورت، ظاهری صاف و بدون چروک به خود بگیرد و نیز از این نانو ذرات به عنوان درمان خشکی پوست هم استفاده می شود. همچنین از نانو ذرات اکسید تیتانیوم در شامپوهای محافظ پوست، کرم صورت و پمادهای بهداشتی دیگراستفاده می شود. ساخت نانو ماشین هایی که قادرهستند، فرم موی افراد را به نحو دلخواه آنان تغیر دهند، چین و چروک پوست را صاف کرده و چربی اضافی را جمع آوری کنند.جوراب های حاوی نانو ذرات نقره ، باعث مهار رشد باکتری و قارچ ها می شود و از بروز بوی بد پاها، مسائل مربوط به پای ورزشکاران ، عفونت ناخن پا و عفونت کف پا که بیشتر در افراد دیابتی بروز می کند، جلوگیری می کند.
و) کاربرد فناوری در صنعت الکترونیک با استفاده از این فناوری می توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد هزار برابر یا بیشتر افزایش داد و در نهایت به ساخت ابزارهای ابر محاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شد. اگر ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات، به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد، ذخیره سازی پنجاه عدد DVD بیشتر در یک هارددیسک با ابعاد یک کارت اعتباری میسر خواهد شد. ساخت تراشه ها در اندازه های فوق العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه های سی و دو تا نود نانومتر و تولید دیسک های نوری 100 گیگا بایتی در اندازه بایتی در انازه های کوچک نیز از دیگر کاربردهاست.
ز) کاربرد نانوفناوری در صنعت خودرو یکی از اصلی ترین موضوعات مطرح در نانو فناوری، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده بسیار بالا و کارایی بیشتری در تمام صنایع خواهند داشت؛ که صنعت خودرو نیز از آن مستثنی نیست. ساخت بدنه سبک تر و مقاوم تر برای خودرو، ساخت لاستیک هایی با مقاومت سایشی بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چند برابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتری هایی با انرژی بالا و دوام بیشتر، ساخت حس گرهای چند منظوره برای کنترل فرآیندهای مختلف در خودرو، ساخت کاتالیزورهای اگزوز خودرو جهت کاهش آلودگی هوا، لایه های خیلی محکم با خصوصیات ویژه ای مثل الکتروکرومیک (رنگ پذیری الکتریکی) یا خود پاک کنندگی برای استفاده در شیشه ها و آینه های خودرو و سازگار کردن خودرو با محیط زیست و بسیاری از موارد دیگر از جمله کاربردهایی هستند که نانوفناوری در صنعت خودرو خواهد داشت.
همچنین جایگزینی کربن سیاه تایرها با ذرات رس و پلیمرهای نانومتری، فناوری جدیدی است که تایرهای سازگار با محیط زیست و مقاوم در برابر ساییدگی را به ارمغان می آورد.صنعت خودرو از طرفی در معرض فشارهای ناشی از قیمت سوخت و مسایل ایمنی است و از طرف دیگر به شدت تحت تأثیر سلایق و تنوع در خواسته های مشتریان برای مدل های جدید خودرو است که با رجوع به فناوری نانو می توان بر مشکلات فوق فایق آمد.
ح) کاربردهای دیگر پژوهشگران سراسر دنیا جهت یافتن کاربردهایی برای نانو لوله ها در زمینه های مختلفی مانند: رنگ، باتری و وسایل الکترونیکی کوچک، در حال رقابت هستند. یکی از این موارد، دستگاه اشعه ایکس ست که در آینده می تواند کوچک تر، ارزان تر و دقیق تر باشد و عملکرد بهتری در مراکز رادیولوژی و مراکز بازرسی فرودگاه ها داشته باشد، از نانولوله جهت ذخیره انرژی بهتر در باتری ها نیز استفاده می شود. کاتالیزورها به سطح ویژه وابسته هستند و با استفاده از فناوری نانو می توان این سطح ویژه را به مقدار فوق العاده ای افزایش داد که سبب افزایش سرعت و کارایی در واکنش های شیمیایی می شود. با بهره گیری از فناوری نانو می توان گیریسی تولید نمود که در درجه حرارت های بسیار بالا مورد استفاده قرار گیرد.

4-6) ده محصول جاری شده با استفاده از فناوری نانو

در زیر، ده محصول برتر نانو فناوری در سال دو هزار و سه میلادی طبقه بندی شده است. این خبر، نشان می دهد کسانی که هنوز معتقدند نانوفناوری فقط در آزمایشگاه است، اشتباه فکر می کنند.
1 – پارچه های ضدچروک و ضد لکهشرکت آمریکایی نانوتکس با اضافه نمودن ساختارهای مولکولی به الیاف کتان، الیافی ساخته است که مایعات و لکه ها بر روی آن ها حرکت نموده و جذب نمی شوند. بنابراین چنانچه قهوه بر روی شلوار سفید رنگی ریخته شود به طرز شگفت انگیزی بر روی آن حرکت کرده و جذب نمی شود ( مثل حرکت قطرات آب بر روی پرهای غاز). شرکت سوئیسی نانواسفربه تازگی در رقابت با شرکت فوق محصولاتی تولید کرده است که نه تنها در صنایع پوشاک سازی بلکه در بخش های پزشکی و لوازم خانگی مثل مبلمان کاربرد دارند. محصولات این شرکت ضد چربی است.
2 – واکس اسکی با کیفیت برترتیم ملی اسکی کانادا از این واکس استفاده نموده است و به زودی هر اسکی بازی می تواند از آن استفاده کند. نانوواکس سراکس یکی از اولین محصولات جهانی است که با استفاده از نانوفناوری شیمیایی، پوشش هوشمندی با خواص چند عملکردی ایجاد می نماید. این واکس به وسیله شرکت آلمانی نانوگیت تولید شده و سطحی بسیار لیز و سخت ایجاد می نماید. این پوشش بسیار نازک، نسبت به پوشش های قبلی که به سرعت خاصیت خود را از دست می دادند، بسیار بادوام تر است.این پوشش هوشمند با کاهش دما بسیار سفت می شود و با کریستال های برف و پوست سازگاری بسیار خوبی دارد. محصولات نانوواکس با فرمول های مختلفی برای انواع ورزش های زمستانی که در شرایط مختلف انجام می شوند تولید شده اند.
3 – محافظ پوست با قابلیت نفوذ عمیق صنایع آرایشی و بهداشتی نقش مهمی در پیشبرد صنعت ذرات دارند. یکی از اهداف این صنایع، پیدا نمودن سیستم رسانش مواد فعال متنوع با قابلیت نفوذ عمیق است. ال اورال یکی از بزرگ ترین شرکت های تولید کننده مواد آرایشی در جهان، اولین محصول نانوفناوری خود را در سال هزار و نهصد و نود و هشت (م) معرفی نمود. این محصول کرم ضدچروک با نام Plenitude Revitalift است. در تولید این کرم از یک فرآیند انحصاری نانوفناوری ( تا دویست نانومتر) به منظور داخل نمودن ویتامین A به درون یک کپسول پلیمری استفاده شده است.کپسول مانند اسفنج، کرم را درون خود جذب و نگه داری می نماید تا این که پوسته بیرونی آن در زیر پوست حل شود. بر طبق بررسی های شرکت L’Oreal هشتاد درصد خانم هایی که این کرم را مصرف کرده اند خاصیت ضد چروک بودن آن را تأیید نموده اند. همچنین هفتاد و پنج درصد آنان می گویند این کرم در سفت شدن پوست مؤثر است. بنابراین نانوفناوری می تواند مسیری به سمت جوانی طولانی باشد.
4 – دوربین دیجیتال OLEDاغلب دوربین های دیجیتال با استفاده از دیود گسیل نور آلی (OLED) ساخته می شوند. OLED ها نه تنها روشن تر از LCD ها است .بلکه انرژی کمتری نسبت به آن ها مصرف می نماید. همچنین آن ها دارای زاویه دید وسیع تری هستند. اولین دوربین دیجیتالی که در آن از نمایش دهنده های OLED استفاده شده است دوربین سه ویک دهم مگاپیکسل است که توسط شرکت کداک تولید شده است.
5- عینک های آفتابی با کیفیت بالاشرکت نانو فیلم با استفاده از نانوفناوری، پوشش های پلیمری بسیار نازک ضد انعکاس و حفاظتی برای عینک ها ساخته است به گونه ای که شیشه آن ها در مقابل خراشیدگی مقاومت داشته و ضد انعکاس می باشد. این شرکت ابتدا لایه هایی به ترتیب با ضخامت صدو پنجاه نانومتر و بیست میکرون را بر روی سطح لنزها نشاند و سپس از فرایند خودسامانی شیمیایی برای نشاندن پوشش پلیمری بر روی سطح خارجی عدسی ها استفاده نمود. ضخامت پوشش فوق، سه تا ده نانومتر بود که عدسی ها را ضد انعکاس می کرد. پوشش فوق علاوه بر ایجاد خاصیت ضدانعکاسی برای عدسی ها، چربی و لکه ها را از روی آن برطرف و عدسی ها را حساس تر نیز می نماید.
6 – کلاه ایمنی هوشمندیکی از بزرگ ترین مشکلات موتورسواران، تغییر شرایط نور است. به عنوان مثال، ورود به تونل می تواند یک کار خیلی خطرناک باشد. هر ساله هزاران موتور سوار در تصادف های ناشی از این موضوع کشته می شوند.
شرکت سوئدی کروموژینکس مشکل فوق را با تولید نوع جدید از کلاه ایمنی با نام «آفتابگردان» حل کرده است. شفافیت این کلاه به سرعت تحت تأثیر شرایط نوری موجود با استفاده از یک فیلم نازک یا ورقه الکتروکرومیک (EC) تغییر می کند. این فیلم شامل لایه های نازک اکسید است که بین دو ورقه پلیمری انعطاف پذیر روی هم قرار گرفته اند.
7- نانو جورابنه تنها ورزشکارها بلکه اکثر مردم از عرق پا رنج می برند و نمی توانند آن را تحمل نمایند. بطور طبیعی هر پا دارای دویست و پنجاه هزار غده عرقی است ، که قادرند حدود پانصد میلی لیتر عرق در روز تولید نمایند. عرق پای ورزشکاران ناشی از قارچ هایی است که بین پنجه پا و چین و چروک پوست جمع می شوند. به تازگی جوراب هایی از جنس کتان که به وسیله نانو ذرات نقره بهبود یافته اند، توسط شرکت سول فرش وارد بازار شده است.
نانو ذرات نقره از رشد باکتری ها و قارچ ها جلوگیری نموده و بدین وسیله از چرب شدن و بد بو شدن پا جلوگیری می کند.
8 – کرم های ضد آفتابمصرف کرم های ضد آفتاب معمولی پوست را به قدری سفید می کند که حالت نامناسبی پیدا می کرد. این سفیدی ناشی از اکسید روی است. دلیل استفاده از اکسید روی آن است که فاکتورهای قبلی حفاظت در برابر آفتاب SPF معمولی فقط در برابر اشعه ماورای بنفش نوع B(UVB) از پوست حفاظت می نمودند اما اکسید روی از پوست در برابر هر دو نوع اشعه ماورای بنفش A و B (UVA و UVA) محافظت می کند. جهت حل این مشکل، شرکت BASF ماده ای به نام Z- COTE با کمک نانوفناوری ساخته است. این ماده جزء اصلی کرم جدید ضدآفتاب با نام تجاری NuCell SunSense SPF30 است. بر طبق گفته های مسئولان شرکت BASF، نانو ذرات پراکنده شده اکسید روی، جزء اصلی Z-COTE است . کاربرد نانوفناوری در Z-COTE سبب تولید نانو کریستال های اکسید روی با خلوص بالا شده، که این امر منجر به افزایش مرغوبیت کرم های ضدآفتاب می شود. از دیگر مزایای کرم های ضدآفتاب جدید، این است که Z-COTE به وسیله پوست جذب نشده و ایجاد حساسیت (آلرژی) نمی کند.
9 و 10 – توپ ها و راکت های تنیس با کیفیت بالاتوسعه پایدار مواد، به تازگی کارخانجات ساخت راکت تنیس را بر آن داشته است که از نانو فناوری استفاده نمایند. در سال دو هزار و دو (م) کارخانه فرانسوی بابولات راکت های مدل VS را که با استفاده نانو لوله های کربنی ساخته شده بودند به بازار عرضه نمود. نانولوله های کربنی صد برابر محکم تر از فولاد و شش برابر سبک تر از آن است. این مواد سبب افزایش سفتی و استحکام پایدار کننده های موجود در دو طرف راکت تنیس می شوند.
به گفته مسئولین کارخانه Babolat، راکت های نوع VS Nanotube پنج برابر مستحکم تر از راکت های کربنی موجود است و نیروی بیشتری را به توپ وارد می کنند. شرکت InMart نیز توپ های تنیسی با نام Wilson double core ساخته است که درون آن ها نانو کامپوزیت وارد شده است.InMart برای آئرودینامیک تر شدن این توپ ها، هسته داخلی آن ها را با ورقه هایی از نانو کامپوزیت های پلیمر خاک رس به ضخامت بیست میکرومتر لایه نشانی می کند(ضخامت هر کدام از این ورقه ها یک نانومتر است) در اثر این فرآیند هیچ تغییری در وزن و الاستیسیته آن ها بوجود نمی آید. قیمت این توپ ها یک و نیم دلار از قیمت توپ های معمولی بیشتر و طول عمر آن ها دو برابر توپ های معمولی است. این توپ ها هم اکنون در جام Davis مورد استفاده قرار می گیرند.

فصل پنجم

مثال هایی از موضوعات مدیریتی فناوری که بایستی در فعالیت های ترویجی به آنان توجه نموددر بخش های قبل تأکید شد که ترویج توسعه نانوفناوری به معنی معرفی نانوفناوری و کاربردهای آن نیست، ممکن است در یک برنامه ترویجی، هیچ نامی از فناوری برده نشود ولی با بیان موانع مدیریتی موجود بر سر راه توسعه کلیه فناوری های نوین و غیره، مسیر توسعه فناوری نانو را هموار نمود. برخی مثال ها در زیر ارائه شده اند:

الف) نظام مالکیت فکری :

وظیفه نظام مالکیت فکری، صیانت از فکر افراد و ایده های آن ها است و با ثبت ایده ها در قالب اختراع و پتنت و وجود ساز و کار لازم قضایی، می تواند محققین را کمک نماید، تا به اعاده حق خود پرداخته و مهم ترین سرمایه خود یعنی فکر و ایده های خود را به راحتی در اختیار دیگرا ن قرار ندهند و نگران دزدی ایده و فکر خود نباشند. متأسفانه باید گفت در کشور این نظام، وجود ندارد. نبود این نظام در کشور ما باعث بروز مشکلاتی برای محققین به خصوص محققینی که در حوزه فناوری های جدید فعال هستند، شده است ( فناوری های جدید به شدت متخصص محور و عامل جلوبرنده آن ها فکر و ایده های جدید است ). اگر امنیت فکری لازم برای متخصصان در کشور مهیا نباشد، این خطر برای محققینی که در حوزه نانوفناوری نیز می خواهند فعالیت کنند به شدت وجود خواهد داشت؛ زیرا نانوفناوری به شدت نیازمند ایده ها و افکار جدید است که لازمه آن وجود نظام مالکیت فکری برای صیانت از ایده ها و افکارنو متخصصین این حوزه است.

ب) شبکه سازی آزمایشگاه های کشور:

وجود تجهیزات آزمایشگاهی به صورت شبکه ای و سرویس دهی به موقع آن ها ، یکی از زیر ساخت های لازم برای توسعه دانش و فناوری است. در حال حاضر در کشور علاوه بر این که تجهیزات کامل آزمایشگاهی اصلی مورد نیاز حوزه فناوری نانو در کشور وجود دارد( به جز چند مورد خاص) ، ولی عدم خدمات دهی تجهیزات موجود، مشکل اساسی در این زمینه است. این مسأله به دو شکل است؛ اول اینکه مجموعه های رقیب در دادن سرویس آزمایشگاهی به یکدیگر همکاری لازم را ندارند و گاهی بین دو دانشکده این مسائل بروز می کند . ضمن این که برای گرفتن سرویس نیز پروسه طولانی بروکراسی حاکم است. مشکل دوم مربوط به خدمات فنی است که به دلیل ضعف دانش در کاربری این تجهیزات در بعضی موارد مشاهده می شود ابزاری بلا استفاده مانده یا کاربران، در درستی نتایج بدست آمده توسط اپراتورهای تجهیزات تردید دارند. این دو مشکل با شبکه سازی صحیح آزمایشگاه ها قابل رفع است.

ج) صندوق های حمایت از سرمایه گذاری ریسک پذیر:

در دنیای پیشرفته به دلیل ریسک بالای سرمایه گذاری در صنایع high-tech برای حمایت از شرکت هایی که در این زمینه ایجاد می شوند صندوق هایی برای حمایت مالی ایجاد شده است که با انجام حمایت های مالی، ریسک سرمایه گذاری در این صنایع را کاهش و انگیزه سرمایه گذاری در این زمینه ها را تقویت می نمایند. در کشور ما این ساختارها یا بوجود نیامده یا وظیفه مشخصی در این زمینه به روشنی به آن ها واگذار نشده است. این مشکل در حوزه نانوفناوری نیز می تواند باعث بروز مشکلاتی در زمینه سرمایه گذاری شود و به دلیل ریسک بالای سرمایه گذاری در این حوزه با کاهش انگیزه سرمایه گذاران برای سرمایه گذاری در این زمینه مواجه خواهیم شد.

د) اعزام دانشجو به خارج و مهاجرت مغزها:

فناوری های نو، خصوصیت بارز آن ها متخصص محور بودن است و نقش نیروی انسانی ماهر و دانشمند در توسعه آنها ، بسیار پررنگ تر از سایر فناوری ها است. معضلی که هم اکنون با آن مواجه هستیم ، مهاجرت نیروهای تحصیل کرده از کشور است که باعث از دست رفتن نیروهای کارآمد و متخصص کشور در حوزه های مختلف به خصوص hightech شده است. این مسئله عوامل مختلفی دارد که می توان به نبود صنایع high-tech در کشور ، نبود امکانات و رفاه لازم و سیاست های غلط اشاره کرد. به عنوان مثال، تاکنون کشور با هزینه های زیاد ، دانشجویانی را به صورت بورس به خارج اعزام می کرد که اکثر آنان نیز به کشور برنمی گردند. شاید اگر به جای فرستادن دانشجو، دعوت از اساتید خارج از کشور و ارایه درس توسط آنان در دستور کار قرار می گرفت ، موج مهاجرت را می توانستیم به نوعی کنترل کنیم. ضمن این که توسعه دانشگاه های داخلی و دسترسی به منابع علمی دنیا نیز به حد قابل قبولی رسیده است. از طرف دیگر ، هزینه دعوت از اساتید خارجی کمتر از اعزام دانشجو است و ضمن آن که حضور دانشجو در داخل کشور، خود از نظر بومی شدن زمینه های تحقیقاتی و پایان نامه های آنها مفیدتر به حال کشور خواهد بود، از حضور اساتید خارجی در داخل کشور نیز می توان استفاده های علمی مختلف برد.

ه) بازنگری در تعریف طرح ها

تعریف طرح های نانو فناوری باید به صورت کامل صورت گیرد تا در نهایت نتیجه مشخصی که دارای منافع اقتصادی نیز هست از آن طلب شود. متأسفانه تاکنون در کشور چنین دیدگاهی وجود نداشته است. اگر طرح های پژوهشی بصورت پراکنده و ابتر، تعریف و رها شوند، نتیجه ای جز اتلاف منابع و نرسیدن به اهداف که لااقل منافع اقتصادی را در برداشته باشد، محقق نخواهد گشت. در مورد فناوری نانو نیز لازم است در تعریف طرح ها تمام زنجیره ثمردهی فناوری از پژوهش تا تولید نیمه صنعتی و صنعتی، بازاریابی و غیره مدنظر قرار گیرد.

و) توسعه فناوری نانو الزاماً به معنی ایجاد صنایع نو نیست

متأسفانه دید غلطی که در جامعه وجود دارد و گاهی سیاست گذاران و مدیران کشور را به اشتباه می اندازد، آن است که تصور می شود توسعه یک فناوری نوین مانند فناوری نانو، به معنی ایجاد صنایع نوین و فراموش کردن صنایع قدیمی و موجود است. در حالی که یک نقش مهم فناوریهای نوین، مانند فناوری نانو، ادغام در صنایع موجود و قدیمی و ارتقا دادن آن ها در دنیای رقابت است . نانوفناوری تاکنون در صنایع مختلف ادغام شده و حتی محصولات تجاری نیز در این زمینه به بازار ارایه داده است. از جمله این صنایع می توان به صنعت سرامیک، نساجی، سیمان، لاستیک و غیره اشاره کرد. در این صنایع نانو به عنوان ارتقا دهنده مطرح می شود و با بهبود کیفیت در محصولات آنها ارزش افزوده محصولات را بالا می برد. در زیر چند مثال آمده است.
1) شیشه های همیشه تمیز: با ایجاد یک پوشش نانویی، آلودگی به این شیشه ها نمی چسبد؛ این کار را می توان در مورد ظروف چینی و کاشی نیز انجام داد
2) لباس های ضد چروک و همیشه تمیز: با اضافه کردن الیافی با اندازه نانو و پخش آنها در سطح لباس، از کثیف شدن و چروک شدن آنها جلوگیری می شود.
3) اضافه کردن نانو ذرات به سیمان و بالا بردن سیالیت آن که به نحو بسیار مطلوبی نفوذپذیری آن را در برابر آب کاهش می دهد.
4) با افزودن نانو ذرات به لاستیک ها، می توان امیدوار بود لاستیک هایی با عمر بالا و مقاوم در برابر سایش ساخته شود.

ز) تقدم مصالح کشور بر مصالح سازمانی در مدیریت فناوری نانو

از دیگر مسائلی که می تواند توسعه فناوری را تحت الشعاع قرار دهد، وجود نداشتن دید کلان در بین مدیران بخش های مختلف تصمیم گیری و ترجیح تصمیمات بخشی بر تصمیمات ملی است. متأسفانه در موارد متعدد مشاهده می شود که تصمیم گیران، سعی در حفظ منافع سازمانی خود دارند و منافع کل کشور را در نظر نمی گیرند. در اثر این تفکر، نمی توان سیاست گذاری درستی انجام داد و بدین گونه روند کارها کند شده و بودجه های محدود موجود نیز در زمینه های غیرمطلوب هزینه می شوند. مدیران متخصص، متعهد و دارای تفکر فرابخشی که مصالح کشور را به مصالح سازمانی ترجیح می دهند، باید تصمیمات و سیاستگذاری ها را در اختیار داشته باشند. با وجود چنین نیروهایی، کشور ما خواهد توانست در زمینه فناوری نانو پیشرفت نماید.

ح) ضرورت اولویت بندی در فناوری نانو

بودجه مثل رودی است که می توان آن را در چنان سطح وسیعی جاری ساخت که به هر مترمربع، قطره آبی بیش نرسد؛ یا می توان با تأمل و دقت این رودخانه را در سطح محدود و مؤثری جاری ساخت، به گونه ای که باعث آبیاری کامل و مفید این سطح محدود شود. یکی از مشکلات در تخصیص بودجه ها به همین موضوع باز می گردد.بودجه ، بدون اولویت بندی در تخصیص، در طرح های بسیاری تقسیم می شود و در نتیجه بودجه اندکی به هر طرح اختصاص می یابد. اغلب این طرح ها نیز در همان ابتدای کار متوقف شده و به نتیجه نمی رسند. اگر به جای تقسیم بودجه در این همه طرح، تمام انرژی و سرمایه موجود روی سه یا چهار صنعت مهم و کلیدی صرف شود. توانمندی کشور در حوزه فناوری ناو به سطح قابل قبولی خواهد رسید.

ط) لزوم در نظرگرفتن جایگاه استاندارد و تأیید محصولات در فناوری نانوچ

نداشتن یک مرکز ملی استانارد و تأیید کیفیت به عنوان مرجع در حوزه فناوری نانو، می تواند یکی از برزگ ترین معضلات در این فناوری باشد. به عبارت دیگر وجود یک مرکز ملی قوی که بتواند برای محصولات و مواد نانو استاندارد تدوین کرده و محصولات و مواد نانو ساخته شده در کشور و یا انوع وارداتی را آزمایش و تأیید نماید، امری لازم است. در واقع سازمان مرجع باید مرکز منسجمی باشد، که علاوه بر داشتن اعتبار کافی و بین المللی، توانایی و امکانات لازم برای کنترل کیفی طیف گسترده ای از فرآورده های فناوری نانو، مطابق با استانداردهای جهانی یا ملی را دارا باشد.

ی ) نیاز به نیروی متخصص

فناوری نانو هنوز حوزه جدیدی از فناوری در سطح جهان است و بالطبع در کشور ما نیز حوزه جدیدی به حساب می آید. به همین دلیل هنوز نیروهای متخصص در این حوزه مجموعه بسیار کوچکی را تشکیل می دهند. باتوجه به گسترش روز افزون این فناوری و نیاز کشور به تحقیق و پژوهش در این زمینه، این تعداد نیروی انسانی پاسخ گو نبوده ونیاز روز افزونی به پرورش نیروی انسانی توانمند و صاحب نظر در این حوزه چه از حیث تخصصی و چه از حیث مدیریتی به شدت احساس می گردد.

ک) پرورش روحیه کار گروهی بین فعالان در حوزه فناوری نانو

در کشور متأسفانه روحیه همکاری، بین محققین و بین مراکز تحقیقاتی کم است. در حالی که امروزه بزرگترین تحقیقات و در نتیجه یافته های علمی، با همکاری مراکز تحقیقاتی مختلفی که هر کدام در گوشه ای از جهان فعالیت می کنند، به وقوع می پیوندند. امروزه در تحقیقات، مرزهای جغرافیایی کمرنگ شده اند. پروژه های مختلف فناوری نانو در یک آزمایشگاه انجام نمی شوند، بلکه بین مراکز متعددی در کشورهای مختلف تقسیم بندی شده و هر مرکز گوشه ای از کار را انجام می دهد؛ در حالی که در کشور ما نه تنها مراکز با هم همکاری چشمگیری ندارند، بلکه حتی محققان ما در یک بخش تحقیقاتی چه در یک دانشگاه یامرکز تحقیقاتی نمی توانند با هم کار کنند. امروزه علوم به قدری گسترده شده اند که انجام یک پروژه برای یک محقق به تنهایی کاری غیرممکن است و اگر تحقیقات در قالب تیم های چند نفره صورت بگیرد، خیلی سریع تر جواب خواهد داد. اگر بخواهیم این مشکل را ریشه یابی کنیم به دو عامل بر می خوریم .
الف) ریشه فرهنگی
ب) ریشه مدیریتی
الف) ریشه فرهنگی : در کشور ما همیشه نخبه گرایی و نخبه ستایی رسم بوده و همیشه دنبال یک ستاره تنها هستند تا از او تمجید کنند؛ به اصطلاح دنبال ابوعلی سینا یا ابوریحان هستند. در حالی که امروز باید تیم های ستاره را بسازیم و ستایش کنیم. این فرهنگ باید از کودکی به طور صحیح آموزش داده شود. باید کودکان را به کارهای تیمی تشویق کنیم. (نه به کارهای انفرادی).
ب ) ریشه مدیریتی: در محافل مختلف می بینیم که موقع ارزشیابی اعضای هیئت علمی، اشتباهی که کارهای تحقیقی انفرادی انجام داده اند، امتیاز بیشتری نسبت به کسانی که برای مثال دو نفری کار کرده اند، می گیرند و کیفیت پروژه ها در درجه چندم اهمیت قرار می گیرد و این در واقع خود دلیلی گرایش نداشتن به کارهای تیمی است.

ل) پژوهش ، مکمل انتقال فناوری

فناوری نانو، فناوری است که مبنای آن بر تحقیقات استوار است و بدون تحقیق نمی توان در این زمینه حرفی برای گفتن داشت. از سوی دیگر برای توسعه فناوری نانو در کشور از طریق انتقال فناوری باید به بومی سازی فناوری نیز توجه نمود. بومی سازی فناوری بدون بسط و گسترش دامنه تحقیقات میسر نمی شود. در واقع به کمک تحقیقات داخلی می توان دانش فنی روز این فناوری را در کشور کسب نمود. کشورهایی مثل کره جنوبی و ژاپن ابتدا از طریق انتقال فناوری توانستند پیشرفت های قابل ملاحظه ای کسب نمایند. ولی در کنار آن به تحقیقات برای بومی سازی و گسترش آن توجه داشته اند.

م) فرصتی گران قیمت

فرصتی گران قیمت برای فعالیت در نانو فناوری با توجه به جوان بودن آن این فناوری نوین بر خلاف علوم و فناوری قدیمی، هنوز مسیر زیادی تا رسیدن به نقطه اوج خود در چرخه عمر در پیش دارد. بنابراین امکان تغییر و تحول در آن بسیار زیاد است واز طرف دیگر فاصله ما با دنیا خیلی زیاد نیست و بازار اشباع نشده است. در فناوری های نویی مانند فناوری نانو، اگر وارد هسته اولیه بشویم و مدتی هزینه کنیم، بعد از آن بازدهی شیب تندی داشته و رشد آن بسیار زیاد خواهد شد. در واقع فناوری های نو، دارای رشد بالایی هستند؛ در حالی که فناوری های جاافتاده ای از قبیل خودروسازی، بیش از ده یا پانزده درصد رشد نخواهد داشت. باید توجه کرد که اتخاذ استراتژی مناسب در این حوزه نوین می تواند تأمین کننده بسیاری از نیازهای ملی ما باشد.
منبع:www2.irib.ir

غنی سازی هسته ای

غنی سازی هسته ای
مقدمه

در طبیعت چهار نیروی بنیادی گرا نشی، الکترو مغناطیسی، هسته ای ضعیف و هسته ای قوی وجود دارد که از طریق تبادل ذرات بنیادی و در نتیجه اندازه حرکت بین اجسام ایجاد می شود. نتیجه بر هم کنش ذرات بنیادی در هسته واکنش هسته ای و انرژی حاصل از ان انرژی هسته ای است، که از آن برای صنعت، پزشکی، کشاورزی تولید برق استفاده صلح امیز و برای انفجارهای هسته ای استفاده نظامی می شود. انفجار هسته ای ، راکتور هسته ای کنترل نشده ای است که در ان واکنش هسته ای بسیار وسیع در زمان کمتر از میلیاردم ثانیه رخ می دهد برای ایجاد انفجار هسته ای به یک سوخت شکافت یا گداخت پذیر، ماشه اغاز گر حوادث و روشی که اجازه می دهد تا قبل از اینکه انفجار پایان یابد، کل سوخت شکافته یا گداخته شود، نیاز می باشد در انفجار های هسته ای همه چیز در کانون انفجار در دمای بالا( حدود106×300 درجه سانتی گراد) به حالت گاز در می آید و در خارج از کا نون موج شدید گرما همه چیز را می سوزاند و فشار موج ضربه ای ساختمان ها و تاسیسات را خراب می کند و تشعشعات مواد رادیواکتیو در محیط انفجار و نقاط دور دست، محیط زیست، گیاهان وموجودات زنده را به مخاطره می اندازد. برای داشتن فن آوری هسته ای چرخه سوخت ضروری است که شامل نورد سنگ معدن اورانیوم ، تهیه هگزافلوراید اورانیوم ، غنی سازی و... است.غنی سازی به روش های الکترومغناطیسی ، سانتریفیوژ، لیزر، دیفوزیون گازی و ... انجام میگیرد.

بحث

ذرات بنیادی طبیعت ازذرات دیگری ساخته نشده اند مانند فوتون، گلوئون، گراویتون،کوارک، الکترون، بوزونهای برداری حدواسط و نوترینو و پروتون و نوترون ذرات بنیادی نیستند بلکه از کوارکها ساخته میشوند. نیرو یا بر هم کنش متقابل بین اجسام از طریق مبادله ذرات بنیادی و ا ندازه حرکت توسط اجسام ایجاد میشود.
نیروی قوی که منشاء نیروی هسته ای قوی بین نوکلئون هاست از طریق تبادل گلئون ها بین کوارک ها ایجاد میشود. نیروی الکترومغناطیسی بین ذرات باردار از طریق تبادل فوتون بین ذرات باردار ایجاد میشود. نیروی ضعیف که منشاء نیروی هسته ای ضعیف در واپاشی بتایی است از طریق تبادل بوزونهای برداری حد واسط(w,z) برقرار می گردد.
n (udd)→p(udu)و )u ) و ( معرف کوارک بالا، dمعرف کوارک پایین است
نیروی گرانشی بین ذرات دارای جرم از طریق تبادل گراویتون بین آنها برقرار میشود.شدت نسبی نیروها:
1 = هسته ای قوی و ،10-2=الکترو مغناطیسی و10-9 = هسته ای ضعیف و 10-38 = گرانشی می باشد با آزمایش جذب سوزن با یک آهن ربای کوچک و نیروی گرانشی و الکتریکی دو بار آزمون شدت نسبی نیرو ها را می توان نشان داد.
واکنش هسته ای فرو پاشی خودبخودی، شکافت، همجوشی همان بر هم کنش بین ذرات بنیادی هسته است.

راکتور هسته ای شکافت دستگاهی است که در ان شکافت هسته ای زنجیره ای کنترل شده به منظو تولید برق، تولید رادیونوکلئید ها و تامین انرژی کشتی ها ،زیر دریایی ها و ماهواره ها و تحقیقات هسته ای انجام میگیرد.
کند کننده ها برای تبدیل نوترون های سریع حاصل ازشکافت، به نوترون های حرارتی بکار میروند.بهترین هسته ها برای این منظور هسته های سبک از قبیل هیدروژن معمولی دو تریوم، بریلیوم و کربن بصورت گرافیت می باشد. بنا به انرژی جنبشی نوترون نسبت به انرژی جنبشی اولیه آن دربرخورد الاستیک با هسته ها می باشد. نوترون در برخورد با هیدروژن آب معمولی تقریبا تمام انرژی جنبشی خود را از دست داده و به نوترون حرارتی تبدیل میشود از این جهت آب معمولی از بهترین کند کننده است.

در همه راکتورها ی شکافتی ، نوترون های کند نشده حاصل از شکافت با اورانیوم 238 برخورد نموده و پلوتونیوم239 نیز مطابق 238U+n(fast)→239 U→239 Np→239 Pu تولید می کنند، ولی برای اهداف نظامی از راکتورهای ویژه با شار نوترونی زیاد استفاده می شود ،این راکتور و یک واحد باز پردازش برای تولید Pu در یک ساختمان عادی جای می گیرد. انفجار هسته ا ی راکتور هسته ای کنترل نشده ای است که در آن واکنش هسته ای بسیار وسیع در زمان کمتر از میلیاردم ثانیه رخ میدهد برای تولید انفجارهسته ای به یک سوخت شکافت یا گداخت پذیر، ماشه آغاز گر حوادث و روشی که اجازه میدهد تا قبل از اینکه بمب خاموش شود کل سوخت شکافته یا گداخته شود، نیاز میباشد. در شکافت هسته ای Fat man برای شروع واکنش انفجار داخل گوی صورت میگیرد و موج ضربه ای حاصل از ان Pu239 که در مرکز گوی با U238 احاطه شده را به داخل کره میفرستد و آن را فشرده میکند تا واکنش هسته ای خارج از حد بحرانی انجام گیرد و بمب منفجر شود. همچنین در شکافت هسته ای Little boyیک گلوله حاوی U235 به دور یک مولد نوترون بالای یک گوی حاوی U235 حول دستگاه مولد نوترون قرار دارد و هنگامی که این بمب به زمین اصابت میکند.حسگر حساس به فشار، ارتفاع مناسب را برای انفجار چا شنی مشخص میکند و مواد منفجره پشت گلوله منفجر میشود و گلوله به پایین میافتد.سپس گلوله به کره برخورد میکند و واکنش شکافت هسته ای رخ میدهد و بمب منفجر میشود. انفجار گداخت هسته ای نسبت به انفجار شکافتی بازده و قدرت تخریب بیشتری دارد مشکلات استفاده از این انفجار الف ) T,d که سوخت این انفجار هستند هر دو به شکل گازند و امکان ذخیره سازی انها مشکل است پس باید به دمای-2500C برده شوندتا مایع گردند. ب) تهیه T مشکل و پر هزینه است. موج انفجارهمان گسترش سریع گاز داغ و فشرده از محل انفجار به محیط اطراف و افزایش فشار اتمسفر میباشد. گاز های ثانویه مسیر داغ تری را طی کرده و به گازهای اولیه میرسند و فشارشان بر هم نهاده شده و جبهه موج ضربه ای را تشکیل میدهند و به سطح تاسیسات فشار استاتیکی وارد میکنند.در پشت جبهه موج هوای همراه موج انفجار سرعت بسیار زیاد دارد و فشار دینامیکی ایجاد میکند که میخواهد اجسام را در سوی حرکت خود به جنبش دراورد در نتیجه آنها را واژگون یا قطعات آنها را از هم جدا میکند زیان های ناشی از انفجار هسته ای عبارتند از:
الف:در کانون انفجار همه چیز تحت دمای تبخیر میشود و در خارج از آن اغلب تلفات بخاطر سوزش ایجاد شده توسط گرماست ب:موج شدید گرما همه چیز را میسوزاند. ج: فشار موج ضربه ای ساختمانها و تاسیسات را خراب میکند. د: تشعشعات رادیواکتیویته باعث سرطان میشود. ه: بارش مواد رادیواکتیو در مناطق دور بصورت ابری از ذرات رادیواکتیوتوسط باد در غالب غبار و توده سنگهای متراکم و آلوده شدن گیاهان و موجودات زنده و محیط زندگی با عث ایجاد آلودگی زیست محیطی می شوند.
از قسمتهای مهم فن آوری هسته ای چرخه سوخت است که شامل مراحل زیر است :1 ) نورد سنگ معدن اورانیوم الف ) استخراج سنگ معدن اورانیوم از معادن زیر زمینی و همچنین حفاری های روباز که دارای 3% U3o8 است. ب ) آماده سازی و آسیاب سنگ معدن و تهیه کنسا نتره با شکل پودر ریز و جامدج ) تهیه کیک زرد که شامل 85- 65 درصدU3o8 است.هر تن سنگ معدن اورانیوم زرد شامل مقدار کمی U3o8 است.شستن سنگ معدن در اسید و عملیات تعویض- یون منجر به U3o8 نسبتا خالص میگردد.2)تهیه هگزا فلوراید اورانیوم :برای غنی سازی اورانیوم آن را به صورت Uf6 در میاورند چون:الف) در دمای بالای بحالت گاز است.ب) فلوئور تک ایزوتوپی استU3 o8 + 2 H2→3 Uo2+ 2 H2O وUo2+4Hf→Uf4+ 2 H2o وUf4+ F2→Uf6 3) غنی سازی اورانیوم : جداسازی U235 از مخلوط سایر ایزوتوپهای ان در سنگ معدن طبیعی 4 ) تهیه Uo2 یا فلز خالص 5) تهیه میله سوخت و مجتمع سوخت و حمل سوخت6) مدیریت سوخت هسته ای در قلب راکتور7) باز فراوری و جداسازی عناصر شکافت پذیر8 ) پسماندداری.
انواع روشهای غنی سازی عبارتند از :1)روش الکترو مغناطیسی2)روش سانتریفوژ3)روش ایرو دینامیکی نازل4 )روش دیفوزیون گازی5)روش لیزر.در روش الکترومغناطیس اورانیوم یونیزه شده با سرعت وارد میدان مغناطیسی میشود. یون ها با توجه به جرم متفاوتی که دارند شعاعهای مختلفی را طی میکنند. در روش سانتریفوژ هگزا فلوراید اورانیوم را وارد دستگاه سانتریفوژ با سرعت دقیقه⁄ دور 104×6 میکنیم اورانیوم 235 به سمت استوانه مرکزی و اورانیوم 238به سمت دیواره جانبی رفته و از آنجا خارج میشوند و به سانتریفوژ بعدی منتقل میشوند برای غنای مطلوب از زنجیره های موازی-سری–مرکب استفاده می شود.

در روش ایرو دینامیکی نازل Uf6را با گاز کمکی سبکی ما نند He,H2 به نسبت 95%تا سرعت صوت نزدیک می کنند و غنی سازی مطابق شکل زیر انجام می گیرد.
در روش دیفوزیون گازی بنا به اصل گراهان انرژی ملکولهای یک گاز در حال تعادل برابر و ثابت است. پس ملکولهای با جرم متفاوت سرعت های متفاوتی خواهند داشت
M1<M2 →V1>V2 اگر ½M1V1 2 =½M2V2 2
در این روش که اولین روش غنی سازی بوده است، گاز Uf6 را در ظرفی که دارای پرده نیمه تراواست وارد
می کنیم.دراین حالت گاز سبک از پرده بیشتر عبور میکند الف) به وسیله تفنگ الکترونی فلز اورانیوم بخار میشود.ب) بخار اتمی به قسمت جدا سازی جریان یافته و پالسهای لیزر به اتم ها برخورد میکنند. در نتیجه اتم ها یونیزه میشوند.ج ) به وسیله میدان الکترومغناطیسی یون های تولید شده به طرف صفحه های باردار فرستاده میشوند و جمع میشوند.محاسن این روش عبارتند از:الف) توان بالای جداسازی ایزوتوپی در تک مرحله ب) امکان پذیری از لحاظ تکنولوژی ج) سرمایه گذاری اولیه کم و مصرف انرژی پایین سیستم و فضای مورد نیاز بسیار کم است
د) راه اندازی و توقف کار سیستم در مدت زمان کمتر انجام می شود

منابع :1. Basic Nuclear Engineering, Arthur R foster L,1977
2. Introductory Nuclear Physics ,Kenneth S.Krane,1988
3. Nuclear Reactor Engineering ,Glasstone,s.& Sesonske,1963
4. Fundamental of Elementary Particle Physics,Longo,M.V.1973
5. WWW-Physicclassroom-Com
6. WWW-Ukea-Org-Uk

اعتماد اجتماعی پیش شرط مشارکت جمعی

اعتماد اجتماعی پیش شرط مشارکت جمعی

انسان ها اعتماد می کنند تا ارتباط برقرار کنند، ارتباط برقرار می کنند تا این باور در ذهنشان ریشه کند که بدون همکاری، مشارکت و همفکری کاری از پیش نخواهند برد.
اعتماد، مهمترین انگیزه ای است که افراد را به داشتن ارتباطات دوسویه یا چندسویه تشویق می کند. حتی بسیاری از اندیشمندان اجتماعی، اعتماد را حسی می دانند که منجر به تعاون و همکاری می شود و فقط در این حالت است که انسان در عین تفاوت ها، قادر به حل مشکلات خواهد بود.
گویر، اندیشمند اجتماعی، با هرگونه جداسازی بین دنیا و زندگی روزمره انسان با زندگی رسمی مخالف است و عامل اتصال این دو جلوه از زندگی انسان را اعتماد معرفی می کند. او اصل بنیادی در ارتباطات انسانی چه به صورت رسمی و چه به صورت غیررسمی را اعتماد می داند و آن را <قانون ارتباطات انسانی> نام می نهد.
مهمتر این که، معنای دقیق اعتماد اجتماعی، آنجا که رنگی از باور به تا ثیرات کنش دیگران به خود می گیرد، می تواند نتیجه تعاملات اجتماعی موجود در گروه ها، انجمن ها و فعالیت های اجتماعی باشد. پروساک دیگر نظریه پرداز اجتماعی با این تعبیر، پافشاری می کند که اگر این اعتماد از حد فردی به سطح اجتماعی انتقال یابد، به عنوان یک سرمایه باارزش، تلقی می شود. همچنین این سرمایه موجب پایین آمدن سطح هزینه های تعاملات اجتماعی و اقتصادی و اقدامات مختلف می شود.

اعتماد اجتماعی، شرط ارتباطات متقابل

اعتماد اجتماعی، چیزی نیست که به سادگی یا به اجبار بر چهره روابط و تعاملات اجتماعی بنشیند و رنگ بگیرد. بلکه انسان ها از روی تمایل و علاقه به مشارکت و انگیزه به ادامه موفقیت آمیز فعالیت های مختلف فرهنگی، اجتماعی، اقتصادی و حتی سیاسی خود است که لایه ای از اعتماد را خمیرمایه روابط و تعاملات اجتماعی خود می کنند.
امروزه برای سنجش مفهوم سرمایه اجتماعی، اعتماد اجتماعی را به همراه شاخص های دیگر احساس تعهد اجتماعی و احساس تعلق اجتماعی اندازه گیری می کنند. چنانچه دکتر محسن رنانی، اقتصاددان و استاد دانشگاه اصفهان، اعتماد را پایبندی به تعهدات و نظایر آنها از شاخص های اصلی سرمایه اجتماعی معرفی می کند.
وی شرط لازم برای توسعه رااین گونه عنوان می کند که سرمایه اجتماعی کالایی است که فقط با تعامل و مشارکت همزمان جامعه و دولت قابل تولید است و اگر یکی از این دو در تولید این کالا مشارکت نکنند، تولید متوقف می شود.
این اقتصاددان می افزاید: اعتماد اجتماعی زمانی ایجاد می شود که دولت و مردم به یکدیگر اعتماد کنند. اگر دولت به مردم اعتماد نداشته باشد یا مردم از دولت سلب اعتماد کنند، این کالا قابلیت تولید را ندارد، یا اگر کارکنان دولت فاسد باشند، این فساد به مردم سرایت می کند و اگر مردم فاسد باشند، این فساد به کارکنان دولت سرایت می کند. پس عدم فساد، عدم رشوه دادن، صداقت در مناسبات، اعتماد و نظایر این ها، همه بخش هایی از سرمایه اجتماعی هستند و زمانی افزایش می یابند که هم مردم و هم دولت به آن پایبند باشند و در انباشته کردن آن بکوشند.
با این حال، اگر اعتماد را صافی شفاف رعایت هنجارهای اجتماعی بدانیم و با تکیه بر این اعتقاد که انسان ها، هنجارهای اجتماعی را برای ایجاد نظم در رفتارهای اجتماعی خود وضع می کنند، مفهوم اعتماد اجتماعی درهمان معنا تجلی می یابد که دکتر عبدالعزیز لهسایی زاده، جامعه شناس عنوان می کند.
وی معتقد است: اعتماد اجتماعی، رفتار هنجاری غیررسمی است و هرگاه افراد جامعه به قرار و مدارهایی که بین خودشان می گذارند، احترام بگذارند و آنها را رعایت کنند، اعتماد اجتماعی به وجود می آید. این اعتماد باعث پیوند و افزایش همبستگی اجتماعی می شود و هرچه درجه این اعتماد در جامعه افزایش یابد، درجه پیوند و همبستگی اجتماعی نیز افزایش پیدا می کند.
براین اساس اعتماد اجتماعی، اعتماد به نفس و افزایش توانایی های افراد را به همراه دارد. برای افراد، اعتبار و پرستیژ اجتماعی به بار می آورد، باعث گسترش فعالیت های فرد در جامعه می شود و افراد را از نوعی پشتیبانی جمعی برخوردار می سازد.
اعتماد اجتماعی در سه عرصه خرد، کلان و میانه اتفاق می افتد. دکتر لهسایی زاده می گوید: در عرصه های خود شکل گیری اعتماد اجتماعی، اول اعتماد فردی در روابط گروه های کوچک بین دو یا سه نفر به صورت انفرادی ایجاد می شود. به طوری که وقتی دو نفر یا چند نفر با یکدیگر کنش متقابل دارند یا گروهی را تشکیل می دهند، افراد تک تک به یکدیگر اعتماد می کنند. در عرصه های میانه، اعتماد اجتماعی در سطح نهادهای محلی و ملی از طریق تلفن و به صورت غیررسمی شکل می گیرد. در عرصه های کلان نیز، اعتماد اجتماعی در سطح بین المللی ایجاد می شود.

عوامل تقویت و تخریب اعتماد اجتماعی

در هیاهویی که بازارهای اجتماعی، پر است از کالاهایی که بی اعتنا به بوق و کرنای فروشندگان و خریداران، خودنمایی می کنند، اعتماد اجتماعی گاهی رنگ می گیرد و گاهی رنگ می بازد.
بسیاری با پافشاری بر ارتباط مستقیمی که بین اعتماد اجتماعی و احساس امنیت وجود دارد، عامل اصلی رنگ گرفتن و رنگ باختن اعتماد اجتماعی در چهرهِ روابط و تعاملات میان افراد را همان احساس امنیتی می دانند که انگیزه اصلی افراد از اعتماد به دیگران و گروه های دیگر قلمداد می شود.
دکتر رنانی، اقتصاددان در مصاحبه خود با اشاره به ارتباط مستقیم و خطی بین اعتماد و سرمایه اجتماعی می گوید: سرمایه اجتماعی وقتی بالاست که اعتماد در میان مردم بالا باشد، همبستگی اجتماعی شدید باشد، تعهد به منافع ملی و منافع اجتماعی جدی باشد، احساس نوعدوستی و همیاری جمعی قوی باشد، قانون حرمت داشته باشد و کسی جرا‡ ت نکند آشکارا در جامعه، خلاف قانون رفتار کند، مردم به حکومت و قوانین آن و مجریان آن به چشم حامی و خادم بنگرند نه به چشم غاصب و ظالم، مردم نسبت به دردها و مصائب همنوعان خود در جامعه حساس باشند و واکنش نشان دهند، بی تفاوتی اجتماعی حداقل باشد و مردم در ناهنجاری ها و مشکلات اجتماعی خود را مسئول بدانند و نظایر این ها.
با توجه به مفهوم سرمایه اجتماعی که مجموعه ای از هنجارها، ارزش های غیررسمی، قواعد عرفی و تعهدات اخلاقی است و رفتارهای افراد در چارچوب آنها شکل می گیرد، موجب تسهیل روابط اجتماعی افراد می شود و افزایش همکاری و مشارکت اجتماعی را برای افراد به همراه می آورد، می توان توسعه را غنی سازی کنش های اجتماعی ناشی از افزایش تمایل به مشارکت و اعتماد اجتماعی دانست.
دکتر لهسایی زاده، جامعه شناس با اشاره به عوامل تقویت کننده اعتماد اجتماعی می گوید: انجام آموزش در سطح خانواده، از طریق وسایل ارتباط جمعی و نیز احترام به اقوام، باورها، ارزش ها و هنجارهای آنان می تواند اعتماد اجتماعی را در بین افراد جامعه درونی کند. از طریق خانواده، بسیاری از مسائل و مفاهیم مرتبط با اعتماد اجتماعی به کودکان منتقل می شود. از طریق وسایل ارتباط جمعی به صورت مدرن امروزی، افراد در جریان اجتماعی شدن قرار می گیرند که باید در این رابطه، یک نوع فرهنگ سازی انجام شود تا روند تقویت اعتماد اجتماعی بهبود یابد. درصورت احترام به اقوام، باورها، ارزش ها و هنجارهای آنان نیز زمینه های ایجاد اعتماد اجتماعی گسترش پیدا می کند.
وی همچنین معتقد است اعتماد اجتماعی در سطوح مختلف خرد، میانه و کلان تخریب و تضعیف می شود و می گوید: عوامل تخریب کننده اعتماد اجتماعی در سطح خرد، منفعت طلبی افراطی افراد است. از آنجا که انسان ها به طور ذاتی، منفعت طلب هستند، وقتی این منفعت طلبی حالت افراطی به خود بگیرد، افراد سعی می کنند با استفاده از روش های کاذب، سهم بیشتری از امکانات و منفعت را برای خود طلب کنند. در سطح میانه، موضوع رقابت های کاذب بین نهادها و مؤ سسات مطرح می شود. در سطح کلان نیز، جاه طلبی کشورها عامل اصلی تخریب اعتماد اجتماعی محسوب می شود. به طوری که هرچه کشورها جاه طلبی بیشتری داشته باشند، دیگر کشورها نمی توانند به آنها اعتماد کنند.

سهم عمده اعتماد در کاهش آسیب ها

اعتماد سهم مهمی را در بسیاری از فرایندهای سازمانی نظیر عقد قراردادها، انجام مذاکرات و نظارت مستمر بر عملکرد واحدها دارد و تلاش درجهت افزایش آن می تواند بسیاری از هزینه های مربوط به فعالیت های ذکر شده را کاهش و علاوه بر آن بهره وری سازمانی را افزایش دهد. از این رو، اعتمادسازی در بین گروهها و واحدهای مختلف یک سازمان را می توان یکی از مهمترین وظایف یک رهبر سازمانی دانست.
دکتر لهسایی زاده می گوید: اگر در جریان تعاملات و روابط اجتماعی، از اعتماد اجتماعی سوءاستفاده شود، شمار آسیب های اجتماعی گسترش می یابد. به عبارتی حالت سوءاستفاده از اعتماد اجتماعی، تضعیف اعتماد اجتماعی را به همراه دارد، کارایی هنجارهای اجتماعی نیز کاهش می یابد.
وی می افزاید: برخی از هنجارهای اجتماعی مانند قوانین نوشته شده و شفاهی هستند و این هنجارها، ناشی از اعتمادی است که افراد نسبت به هم دارند. به طور مثال، درصورت اعتماد اجتماعی بین افراد، رسم اجتماعی پایدار می ماند و برعکس. از این روست که افراد به قرار و مدارهایی که بین خودشان می گذارند، احترام می گذارند، آنها را رعایت می کنند و اعتماد اجتماعی به وجود می آید.
با این حال، در تعبیر نخستینی که انسان ها اعتماد می کنند تا ارتباط برقرار کنند، ارتباط برقرار می کنند تا این باور در ذهنشان ریشه کند که بدون همکاری، مشارکت و همفکری کاری از پیش نخواهند برد، شاید به راحتی نتوان به جایگاه عینی اعتماد در پس کوچه ای از هنجارها و ناهنجاری ها دست یافت. گویی باید به همان انگیزه ای دلخوش کرد که در پوشش اعتماد، افراد را به سوی دنیای بی حد و مرز ارتباطات و تعاملات می کشاند.

ساختن از پایین به بالا

ساختن از پایین به بالا
جیمز هیث در سرمقاله مهمان چاپ‌شده در سال 1999 در شماره ویژه گزارش تحقیقات شیمی که به علوم نانو اختصاص داشت می‌گوید : "در سالهای اخیر کمتر لغتی در علوم فیزیک و شیمی به اندازه " علوم نانو" و " نانوتکنولوژی" استعمال – درست یا نادرست- داشته است."هیث -استاد شیمی دانشگاه کالیفرنیا -می‌نویسد : " چرا این همه علاقه‌مندی و اغراق‌گویی؟!" توضیح علاقه‌مندی نسبتا" ساده است: در 15 سال گذشته ما شاهد انفجار ابزارهای سنجش نسبتا" ارزان قیمت ، مثل میکروسکوپی پروب‌اسکن‌کننده برای بازبینی و دستکاری مواد در مقیاس طولی نانومتر بوده‌ایم. در همین مدت، رشته‌های فراوانی که نامربوط به این رشته بودند (مثل مهندسی برق و زیست‌شناسی) ، نیز متوجه فهم و کنترل پدیده‌های شیمیایی و فیزیکی در این مقیاس طولی و نوعا" 1 تا 100 نانومتر شده بودند. دانشمندان آموخته‌اند که چگونه اندازه و شکل مواد مختلفی را در سطح اتمی و مولکولی کنترل کنند و در جریان کار آنها خواص جالب توجه و ذاتا" مفیدی را که بسیاری از آنها غیرمنتظره بود، کشف کردند.
چادمیرکین ، یک استاد شیمی که بنیاد نانوتکنولوژی دانشگاه نورث‌وسترن را اداره می‌کند، می‌گوید: " این رشته در حال شکوفه‌زدن و تبدیل شدن به نیرویی برتر در علم در چندسال آینده است . تقریبا" یک قطار سریع‌السیر است، که هیجان زیادی در موردش وجود دارد."با این حال میرکین خاطرنشان می‌کند : " در این زمینه اغراق‌گویی‌های فراوانی وجود دارد." بسیاری از گزافه‌گویی‌ها حاصل پیش‌بینی‌های خوش‌بینانه نانوتکنولوژیست‌های آینده‌نگر از علوم نانوی ابتدایی کنونی است. مثلا" نظریه‌پرداز نانوتکنولوژی ، اریک درکسلر، مدیر موسسه Foresight - در پالوآلتوی کالیفرنیا- و بعضی از همکارانش طرح ساخت اتم به اتم بازورهای رباتیک مولکولی را که قادر به ساخت اشیای متفاوتی ازجمله بازوهای رباتیک دیگر هستند ارائه داده‌اند. در یک نظریه جسورانه دیگر، ابزارهای رباتیک برنامه‌ریزی شده کوچکتر از 100 نانومترآزادانه در جریان خون انسان حرکت کرده ، سلولهای سرطانی را شناخته و آنها را پیش از تبدیل شدن به تومور به صورت انتخابی نابود می‌کنند. بسیاری از دانشمندان مشتاق به علوم نانو، این ایده‌ها را افسانه‌های علمی تخیلی می‌دانند. مثلا" فراسر استودارت استاد شیمی دانشگاه UCLA می‌گوید :" این رشته شروع بدی داشته است . چون تصاویری از این دست در ذهن مردم نقش بسته است؛ مثلا" رباتهای شناکننده در جریان خون که این یا آن موجود پلید را می‌کشند." در نتیجه این همه علاقه و گزافه‌گویی، تعریف نانوتکنولوژی تا حدّی نامشخّص می‌باشد- تا مقداری به خاطر این که محقّقین زیادی ،حتّی آنها که روی سیستمهای میکرومتری کار می‌کنند، سعی می‌کنند خودشان را زیر چتر نانوتکنولوژی نگه دارند. بعضی نانوتکنولوژی را با مفهوم درکسلری آن برای ساخت ماشینهای مولکولی قادر به دست‌کاری ماده با دقّت اتمی بکار می‌برند. از سویی دیگر گاهی نانوتکنولوژی به صورتی دربرگیرنده همه ، زیست‌شناسی مولکولی و شیمی – تصویری که میرکین آن را " احمقانه" می‌نامد- در نظر گرفته می‌شود. برای اینکه مطمئن شوید لازم است بدانید شیمیدانان عادت به کار در مقیاس نانو متری داشته‌اند ولی به قول میرکین:" ساخت یک ترکیب آن از طریق شیمی سنتری مرسوم، یک نمونه نانوتکنولوژی نیست." ولی به اعتقاد او، استفاده از تکنیکهای خود چیدمانی برای ایجاد اندک اجزای مولکولی که به صورت یک مولکول حلقوی بزرگ با ابعاد چندین نانومتری تلفیق شوند مورد برحقی از نانوتکنولوژی است. مورد دوم دارای این تفاوت عمده است که ساختارها با دستگاههایی که از 15 سال گذشته به قبل موجود نبوده‌اند ، تولید، توصیف، دستکاری و حتّی دیده می‌شوند.میرکین تأکید می‌کند : " نانوتکنولوژی یک رشته وابسته به ابزار است و این ابزارها به مرور در حال بهتر شدن هستند."

استودارت(چپ) و هیث: زنجیره ها، تسبیح‌ها، و شبه تسبیح‌ها

جنبه کلیدی دیگر نانوتکنولوژی این است که مواد نانومتری خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوتی نسبت به مواد انبوه ارائه میدهند، که می‌تواند مبنایی برای فناوریهای جدید باشد. مثلا" دانشمندان دریافتند که می‌توانند خواص الکترونی –و در نتیجه نوری – ذرات نانومتر ی را با تنظیم اندازه ذره تعیین کنند. بنابراین وقتی فلز طلا به صورت میله‌های نانومتری درمی‌آید، شدت فلوئورسانس آن بیش از 10 میلیون برابر میشود. این تحقیق که اخیرا" توسط گروه مصطفی السّیّد، استاد شیمی بنیاد فنّاوری جورجیا صورت گرفته، مشخّص شده است که طول موج منتشره به طور خطی با افزایش طول میله افزایش می‌یابد، در حالی که شدّت نور با مجذور طول آن زیاد می‌شود. السّیّد توضیح می‌دهد :" این نانوذرات نوع جدیدی از مواد محسوب می‌شوند، که خواصشان نه تنها به ترکیب شیمیایی،که به اندازه و شکل نیز وابسته است." این خواص برای کاربردهای ذخیره نوری اطلاعات، سیستمهای فوق‌العاده سریع ارتباطات داده‌ای و تبدیل انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته اند. نانومواد از قبل نقشی کلیدی در برخی فنّاوری های تجاری بازی می‌کرده است. ولی این مقاله روی بعضی تحقیقات علوم نانو که چندسال با ثمردهی تجاری فاصله دارد،تمرکز یافته است. هرچند به دلیل نویددهی ایجاد تغییرات شگرف در تولید دستگاهها ، سنسورها، موتورها و بسیاری موارد دیگر، بسیار تکان‌دهنده است. این وسایل امروزه با یک مدل " بالا به پایین" ساخته می‌شوند. مثلا" در صنعت میکروالکترونیک از تکنیکهای لیتوگرافیک برای حک کردن بلورسیلیکون برای ایجاد مدارات و ابزارهای میکرومتری استفاده می‌شود. این تکنیک‌ها اخیرا" به نقطه‌ای پیشرفت کرده است،که اشکالی با ابعاد نانومتری را نیز می‌توان ساخت. هر 18 تا 24 ماه که ابزارها ریزتر می‌شود تعدادی که از آن میتوان در یک چیپ جا داد به دو برابر افزایش می‌یابد. ولی چیپ‌سازان برای ادامه روند کوچک‌سازی در دهه آینده به شدت تحت فشار خواهند بود. برای کوچک شدن به حوزه چند نانومتری، چیب‌ها دیگر پاسخگو نخواهند بود . به علاوه هزینه ساخت خطوط تولید جدیدی برای هر نسل جدید جیپ‌گران خواهد بود. نانوتکنولوژی نوید یک راه‌حل ارزان قیمت " پایین به بالا" را در الکترونیک و دیگر وسایل ساخته‌شده از اجزای ساده‌تر مثل مولکولها و نانوساختارهای دیگر را می‌دهد. این روش مشابه عمل طبیعت در ایجاد ساختمانهای زیستی پیچیده است .

سوئیچ کردن با مولکول‌ها :

آزمایشگاه هیث در خط مقدم تلاشهای انجام‌شده برای ساخت کامپیوتری از پایین به بالا- چیزی که او آن را " نانوکامپیوتر الکترونی با چیدمان شیمیایی" می‌نامد- است. گروه او با همراهی یک شیمیدان به نام استانلی ویلیامز و یک معمار کامپیوتر به نام فیلیپ کوئک از آزمایشگاههای Hewlett-packard واقع در پالوآلتوی کالیفرینا، سبکهای معماری بسیاری برای چنین ماشینی مطرح کرده‌اند. و چندی بیشتر با همکاری گروه استودارت در UCLA شروع به ساخت آنها نمودند . هیث خاطرنشان می‌کند : " وقتی شما به مردم می‌گویید که می‌خواهید کامپیوتری بسازید، آنها فکر می‌کنند شما در حال استخدام شدن در Intel هستید . مقصود ما چنین چیزی نیست." هدف او نشان دادن این مطلب است که یک نانوکامپیوتر ساده را واقعا" می‌توان ساخت. او با ذهنی مملو از چالشها می‌گوید :" ما فکر می‌کنیم این تمرینی سخت خواهد بود، که سعی کنیم بفهیم چگونه یک چنین ماشینی را می‌توان ساخت و سپس آن را عملا" بسازیم." ابتدا هیث توضیح می‌دهد که پروژه شامل به نخ کشیدن دهها سوئیچ مولکولی و نانوسیم به صورت مدارات منطقی و مدارات حافظه و " فراهم‌آوری امکان گفتگوی آنها" است. سوئیچ‌های مولکولی‌ای که محققینی UCLA روی آنها کار می‌کنند ،" زنجیره"‌ها(Catennan) ، "تسبیح"‌ها (Rotaxane) و "شبه تسبیح‌"هایی است که در دهه گذشته در آزمایشگاه استودارت ایجاد شده‌اند. ساده‌ترین مثال این قبیل سوئیچ‌ها ، یک حلقه مولکولی است که به صورت مکانیکی به یک حلقه متفاوت دیگر زنجیر شده ( تا یک زنجیره را تشکیل دهد) یا روی یک مولکولی به بند کشیده شده است. ( تا یک تسبیح‌ یا شبه تسبیح‌ را شکل دهد) . در هرکدام از این ساختارها حلقه مزبور می‌تواند دو موقعیت متفاوت که بیانگر " 0" و " 1" دیجیتالی است داشته باشد، و به کمک اعمال ولتاژهای متفاوت بین این دو حالت سوئیچ کند.
برای اتّصال دادن سوئیچ‌های مولکولی، تیم UCLA در حال کاوش در زمینه استفاده از نانوسیمهای سیلیکونی و نانولوله‌های کربنی که در شبکه‌أی- به قول هیث "مثل یک صفحه ساعت"- قرار دارد،می‌باشد. این معماری مشتق‌شده از معماری کامپیوتر منحصر به فرد سیلیکونی Teramac است که توسط Hewlett –packard چندسال قبل ساخته شد . در هر بند این شبکه، نانوسیمها با تک لایه‌ای از سوئیچ‌های مولکولی متصل شده‌اند. سال قبل، هیث استودارت و همکارانشان نشان دادند، که سوئیچ‌های مولکولی از نوع تسبیح‌ را می‌توان به صف کرد تا یک گیت منطقی ایجاد کرد، هرچند وضعیت این سوئیچ‌ها تنها یکبار قابل تغییر بود در آگوست گروه گام بعدی را برداشت و گزارش داد که سوئیچ‌های مولکولی زنجیره‌ای را میتوان بارها پیکربندی مجدد – یعنی بین حالت روشن و خاموش سوئیچ"- نمود اگرچه تفاوت حالات "روشن" و "خاموش" ( از نظر مقاومت الکتریکی ) بسیار کمتر از حدی است که برای مدارات منطقی مفید باشد، ولی این سوئیچ‌ها، به گفته هیث، برای حافظه مناسب هستند . هیث خاطرنشان می‌کند که اهمیت این کار در این بود که برای اولین بار او فهمید که سوئیچ‌های مولکولی می‌توانند تحت شرایط عادی، بارها و بارها عمل کنند.تک لایه ای از "زنجیره‌ها" که بین دو صفحه الکترود محدود شده، به عنوان سوئیچ مولکولی عمل می‌کند محققین UCLA هم‌اکنون سوئیچ‌های مولکولی قابل تغییر دیگری دارند که نسبت به مورد ماه آگوست پیشرفتهای زیادی کرده است . آنها انتظار دارند به زودی، این سوئیچ‌ها را در مدارات منطقی و حافظه بکار ببرند. هیث می‌گوید :" پس از آن ما باید آن سوئیچ‌ها را وارد گفتگو با هم کنیم، تا شما صاحب یک کامپیوتر شوید. نمونه اولیه چنین کامپیوتری تنها سه یا چهار سال دیگر وقت می‌خواهد.

به سمت یک استراتژی نانوسلولی :

یک مدل کاملا" متفاوت برای ساخت کامپیوترهای مولکولی از پایین به بالا در مرکز علوم و فناوری نانوی دانشگاه رایس درهوستون پیگیری می‌شود. استاد شیمی جیمز تور و همکارانش در آنجا سیمهای مولکولی را ساخته و مطالعه کرده‌اند. نانوسیمهای آنها رشته‌های مزدوجی است که در آنها به عنوان مثال حلقه‌های عاملی‌ بنزن بطور یک در میان با گروههای استیلنی قرار گرفته است. این سیمها گروههای عاملی خاصی در دو سر خود دارند که مثل " گیره‌های تمساحی" موجب اتصال سیمها به طلا یا الکترودهای دیگر می‌شوند. با استفاده از چنین تکنیکهایی تور و همکار تمام وقتش مارک رید، استاد مهندسی برق و فیزیک کاربردی دانشگاه ییل، توانسته‌اند جریانهای الکتریکی کوچکی را که از میان این سیمها می‌گذشت، اندازه‌گیری کنند.آزمایشگاه تورمولکولهای مشابه دیگری نیز ساخته است، مثل حلقه‌های آروماتیک با گروههای استیلنی یک در میان که به صورت دیودیا سوئیچ مولکولی عمل می‌کنند. سال گذشته مثلا" تور و رید تک لایه‌ای از چنین مولکولی گزارش کردند، که وقتی تا 60 درجه کلوین سرد می‌شد، رفتار سوئیچ‌کنندگی غیرعادی نشان می‌داد که در ابزارهای سیلیکونی مرسوم دیده نشده است.] C&EN,Nov 22,1999,Page11 [Science,286,1550(1990); وقتی به این تک لایه ولتاژی با افزایش منظم اعمال می‌شد مولکولها تا قبل از یک آستانه ولتاژی، جریان محسوسی را عبور نمی‌دادند و پس از آن با افزایش ولتاژ جریان به سرعت افزایش یافته و سپس قطع می‌شد. رید و تور این رفتار سوئیچ‌کنندگی را که به مقاومت تبعیضی منفی ( NDR ) معروف است، در مولکول مشابهی در دمای اتاق نیز مشاهده کردند ، هرچند که تأثیر آن چندان گیرا نبود. از آنجاکه این مولکولها می‌توانند بین دو حالت اکسیداسیون پایدار سوئیچ کنند، می‌توانند اطلاعات را به شکل "0" (حالت عایق)، یا "1" (حالت رسانا) ذخیره کنند و درنتیجه به عنوان حافظه مولکولی بکار روند.

تور: آموزش دهی نانوسلولها برای محاسبه

مولکولهای دارای خواص دستگاهی غیرعادی مثل NDR از منظر علمی ، به گفته هیث ،"بسیار جالب توجه اند. این هیجان‌انگیز است که شما بتوانید خاصیتی را در یک مولکول با استفاده از تکنیکهای مرسوم بیافرینید و مشاهده کنید که آن خاصیت در یک دستگاه قابل اطمینان با قراردادن آن مولکول بین دو الکترود ، ظهور پیدا کند. این نتیجه‌ای است که هیچ‌کس انتظار دیدنش را نداشت. این به معنای آن است که شما می‌توانید به قصر کاملی از وسایل با خواص منحصر به فرد فکر کنید." تورورید در تحقیقاتشان دریافتند که این مولکول در 60 درجه کلوین ، مقاومت منفی جزئی (یک نوع رفتار سوئیچی) از خود بروز می‌دهد و مثل یک حافظه قادر به ذخیره اطلاعات است. تور امیدوار است که چنین مولکولهای عمل‌کننده‌ای را برای ساخت یک کامپیوتر مولکولی بکار بگیرد. همانطور که درماه آگوست در یک سخنرانی در همایش ملّی جامعه شیمی آمریکا در واشنگتن ایراد کرد، این کامپیوتر از واحدهای ساده‌ای که " نانوسلول" نامیده می‌شوند تشکیل شده است. این واحدها بطور شیمیایی خودچیدمان هستند و برای انجام کار لازم برنامه‌ریزی می‌شوند. فرایندهای خودچیدمانی که در قلب اقدامات دانشگاههای رایس\ییل و UCLA برای ساخت کامپیوتر مولکولی قرار گرفته است، ناکاملند. یعنی قادر به تضمین موقعیت و جهت صحیح یک مولکول خاص نیستند. البته این خیلی مهم نیست، چون هر دو طرح کامپیوتری نسبت به نقایص اغماص زیادی دارند.از این جهت تمایز خشنی با کامپیوترهای امروزی دارند که با یک عنصر معیوب زمین‌گیر می‌شوند. نانوسلولی که تور و همکارانش بدست آورده‌اند، حدود یک میکرومترمربع است و شامل یک آرایه دو بعدی از چندصد نانوذره فلزی است که توسط حدود 1500 مولکول عمل‌کننده (مثل آنهایی که NDR را بروز می‌دهند) به هم متّصل شده‌اند. این مولکولها ، نانوذرات را به درگاههای ورودی و خروجی پیرامون نانوسلول نیز متّصل می‌کند. بنابراین با ترکیبات متفاوتی از این دریچه‌های ورودی و خروجی ، می‌توان مسیرهای حامل جریان مختلفی را مشخّص کرد.
یک چیپ آزمایشی (چپ) که توسط رید طراحی شده و برای مطالعه مشخّصات جریان /ولتاژ مولکولهایی که تور آماده کرده است بکار گرفته شده است . دو تصویر سمت راست نماهای بزرگتر شده مرکز دو الگوی مربعی مختلف روی چیپ است. در تصاویر بزرگ‌شده ، سیمهای در طول لبه‌ها تا دنیای ماکروسکوپی امتداد یافته‌اند. دراینجا دریچه های تست قادر به قلاب شدن و گیر کردن هستند. بعضی از خطوط لیتوگرافی که در مناظر بزرگ‌شده، دیده می‌شوند، در تماس با صفحات طلایی که 3/0 تا 1]میکرو[ متر فاصله دارند، قرار می‌گیرند. وقتی چیپ بطور آنی در محلولی از ترکیب آزمایشی قرار می‌گیرد، مولکولها خودشان را در عرض این صفحات سوار می‌کنند . خواص الکتریکی این مولکولها را می‌توان مطالعه کرد. به گفته تور، ترتیب نانوذرات و مولکولهای اتّصال‌دهنده در این مسیرها، تصادفی است و مسیرها احتمالا" در ابتدا قادر به انجام هیچ عمل منطقی نخواهند بود ولی با اعمال پالس‌های ولتاژی به ترکیبات مختلف دریچه‌های ورودی و خروجی، امکان آن وجود دارد که مولکولها را گروهی " روشن" یا " خاموش" کرد. این که کدام سوئیچ روشن (رسانا) و کدام یک خاموش (عایق) است، مشخّص نیست، ولی اهمیتی هم ندارد. در یک روال حدس و خطایی ، الگوریتم‌های کامپیوتری خاصی بطور پشت سرهم کار تست و تعمیر را (با استفاده از پالس‌های ولتاژی با مقادیر متفاوت) انجام می‌دهند تا این که آن مسیر عملیات مطلوب را مثلا" به عنوان یک گیت یا افزاینده منطقی انجام دهد. یک کامپیوتر مولکولی واقعی حداقل شامل صدهزار تا یک میلیون نانوسلول خواهد بود ، که با لیتوگرافی معمولی به هم مرتبط شده‌اند. پس از این که اولین نانو سلولها تعلیم داده شدند، آنها به صورت تست‌کننده و تعلیم‌دهنده نانوسلولهای اطرافشان عمل خواهند کرد . بنا به گفته تور، این نحوه " خود راه‌اندازی" امکان برنامه‌ریزی و تعلیم‌دهی سریع و اتوماتیک نانوسلولها را فراهم می‌آورد. او همکارانش قبلا" با مدلسازی (شبیه‌سازی) نشان داده بودند که به یک نانوسلول می‌توان انجام یک عمل خاص را تعلیم داد. ولی تور می‌گوید:"ما هنوز یک نانو سلول کامل را نساخته‌ وبه آن برنامه نداده ایم. هرچند چنین برنامه‌ریزی‌ای در عرض شش‌ماه صورت خواهد گرفت." گذشته از این مسئله، او و اعضای تیم‌اش هنوز باید بر معضلات دشوار بسیار دیگری فائق آیند تا یک نمونه موفق از کامپیوتر مولکولی‌شان را عرضه کنند. مشابه دانشمندان UCLA ، تور نیز فکر نمی‌کند که کامپیوتر مولکولی در کوتاه‌مدت جایگزین کامپیوترهای سیلیکونی فعلی شود. با این حال، الکترونیک مولکولی اولین مورد مصرف خود را در سیستمهای مخطوط که مولکولها در هماهنگی با سیلیسیم عمل می‌کنند" خواهد یافت.

سوئیچ کردن با نانولوله‌ها :

همه مدلهای محاسبه مولکولی الزاما" برمبنای مولکولها نیست، که با سنتز آلی مرحله به مرحله قابل دسترسی باشند. مثلا" در دانشگاه هاروارد ، استاد شیمی چارلز لیبر و همکارانش - توماس روئکس، کیونگ‌ها کیم، و ارنستو جوزلویچ - در حال بکار انداختن نانولوله‌های تک دیواره (SWNTها) برای استفاده در اجزای دستگاهی (مثل سوئیچ‌ها) و سیمها برای خواندن و نوشتن اطلاعات هستند. ایده لیبر عبارتست از الگودهی یک آرایه از نانولوله‌های موازی- روی یک لایه نازک دی‌الکتریک (عایق) که نمونه رسانا را پوشش می دهد- که سپس در بالای این آرایه ، آرایه موازی دیگری از نانولوله‌ها، به زوایه قائمه به صورت آویزان قرار می‌گیرد. نانولوله‌های بالایی بطور غیرهم‌سطح پایینی‌ها را قطع می‌کنند، چون به کمک بلوک‌های تکیه‌گاهی با فواصل منظم 5 نانومتر بر فراز نانولوله‌های پایینی نگه داشته‌شده‌اند. هر نانولوله در انتهایش به یک الکترود فلزی متّصل است. لیبر و همکارانــش در مقالــه جدیدشان این چنین بیان کردند : " هر نقطه تقاطع در این ساختار یک عنصر دستگاهی محسوب می‌شود". و هر عنصر دستگاهی در دو حالت می‌تواند باشد : در حالت " خاموش" لوله‌های متقاطع کاملا" از هم جدا بوده و لذا مقاومت تماسی در این نقطه بسیار بالاست. در مقابل، در حالت " روشن" نانولوله‌های بالایی به سمت لوله‌های پایین آنقدر کشیده می‌شوند تا با آنها تماس یابند ، که در نتیجه مقاومت تماسی فوق‌العاده کم خواهد شد.

لیبر: آرایه‌های نانولوله ‌\ نانوسیم

این محققین می‌نویسند: " با باردار کردن گذرای نانولوله‌ها- به منظور تولید نیروهای الکترواستاتیک جاذبه یا دافعه‌ای- یک عنصر دستگاهی می‌تواند بین این دو حالت تعریف شده- روشن و خاموش- سوئیچ کند." این کار با اعمال پالس ولتاژی به زوج‌الکترودهایی که یک نقطه تقاطع خاص را نشانه گرفته‌اند، صورت می‌گیرد. به گفته لیبر، وضعیت – روشن یا خاموش – هر نقطه تقاطع را با سنجیدن مقاومت تماسی به راحتی می‌توان خواند. چنین آرایه متقاطعی را نه تنها برای شکل‌دهی عناصر منطقی کامپیوترها ، که به عنوان یک حافظه دسترسی اتفاقی (RAM) غیر فرار نیز می‌توان بکار برد، چراکه مزایای‌قابل ملاحظه‌ای نسبت به RAMهای نیمه‌هادی مرسوم از نظر اندازه، سرعت و هزینه دارا می‌باشند. لیبر مثلا" می‌گوید، که 1012 عنصر دستگاهی را می‌توان در 2 Cm 1 از یک چیپ جا داد. این در حالی است که یک چیپ پنتیوم با این اندازه 107 تا 108 قطعه را در خود جا می‌دهد. به علاوه، هر عنصر این حافظه نانولوله‌ای قادر به ذخیره یک بیت است، در حالی که ابزارهای سیلیکونی فعلی، به یک ترانزیستور و یک خازن برای ذخیره یک بیت در RAM متغیر (که بایستی پی در پی از نو پر شود ) یا چهار تا شش ترانزیستور برای ذخیره یک بیت در RAM ایستا نیازمندند. اضافه بر این، بنا به ازمایشات و محاسبات انجام شده،RAM نانولوله‌ای عمل سوئیچینگ را با سرعت GHz100 ، یعنی 100 برابر سریعتر از نسل جدیدچیپ های شرکت اینتل انجام می دهند. آزمایشات گروه هاروارد تاکنون روی اتّصالات منفرد کلاف‌های با قطر 20 تا 50 نانومتر نانولوله که به "طناب" موسوم هستند، صورت گرفته است. در چندین دستگاه مشابه ، لیبر و همکارانش سوئیچینگ بازگشت‌پذیر را بین دو حالت تعریف‌شده روشن و خاموش مشاهده کرده‌اند : " ما فکر می‌کنیم این آزمایشات کاملا" ایده معماری ارائه‌شده از طرف ما را اثبات می‌کند." بااین حال اتّکا صرف به نانولوله‌ها برای این آرایه متقاطع مشکل‌زاست. محققین هاروارد بطور آرمانی دوست دارند ، آرایه‌ها را با SWNT های منفرد با ضخامت نانومتری بسازند – نانولوله‌های نیمه‌هادی در پایین و نانولوله‌های فلزی در بالا. لیبر در این باره می‌گوید : " ما همیشه نیازمند اتّصالات فلز /نیمه‌هادی خواهیم بود" – برای عمل یکسوسازی؛ یعنی به جریان فقط در یک جهت اجازه عبور می‌دهند.
اتّصالات یکسوساز موجب اطمینان از این می‌شود، که وضعیت هر اتّصال را مستقل از بقیه بتوان خواند. متأسفانه کسی نمی‌داند چگونه نانولوله‌ها را بنا به نیاز به شکل فلزی یا نیمه‌هادی بسازد.این محققین نوعا" کار خود را با بکارگیری مخلوطی از انواع متفاوت نانولوله‌ها یا انجام مشاهدات شانسی صورت می‌دهند. یک راه برای فائق آمدن براین مشکل استفاده از نانوسیمهای نیمه‌هادی آغشته در کنار نانولوله‌هاست. گروه لیبر چند سال گذشته را صرف توسعه یک روش کاتالیتیکی لیزری برای ایجاد نانوسیمهای با اندازه‌های گوناگون، منجمله نیمه‌هادی‌های سیلیسیم، ارسنیدگالیم، فسفید ایندیم و غیره کرده‌اند . این روش به قول لیبر، امکان ، " کنترل سنتزی بالایی" را روی قطر ، طول و خواص الکتریکی این نانوسیمها فراهم می‌آورد. اخیرا" به عنوان مثال گروه او نشان داده اند، که نانوسیمهای سیلیکونی را می‌توان با دیگر عناصر آغشته کرد تا مواد نیمه‌هادی نوع N (آغشته به الکترون) یا نوع P (آغشته به حفره) را بدست دهد.,104,5213,(2000)] J.Phys.Chem.B [لیبر خاطرنشان می‌کند : " یک نانوسیم سیلیکونی نوع N، همیشه با یک نانولوله‌ اتّصالی یکسوساز را شکل می‌دهد؛ چه نانولوله فلزی و چه نیمه‌هادی باشد." بعلاوه با تقاطع نانوسیمهای آغشته با نانولوله‌ها، اتّصالات دستگاهی با انواع مختلفی از خواص الکترونیکی را می‌توان داشت. و لذا اگر شما به ساخت ابزارهای مخلوط علاقه‌مند باشید، وارد کردن اجزای سیلیکونی] آغشته[ به دستگاهتان معنی‌دار خواهد بود. نمای سه بعدی ایده لیبر برای یک آرایه متقاطع معلّق با چهار اتّصال نانولوله (عناصر دستگاهی) ، که دو تا آنها در وضعیت " روشن" (در حال تماس) و دوتای دیگر در وضعیت " خاموش" (جدا ازهم) قرار دارند. نانولوله‌های پایینی روی یک لایه نازک دی‌الکتریک ( مثلا" Sio2) هستند، که در بالای یک لایه رسانا ( مثلا" سیلیسیم با آغشتگی بالا) قرار گرفته‌است. نانولوله‌های بالایی به کمک چند تکیه‌گاه (بلوکهای خاکستری) آویزان شده‌اند. هر نانولوله به یک الکترود فلزی (بلوکهای زرد) متّصل است.چگونه این آرایه‌های متقاطع ساخته می‌شوند؟ یک استراتژی نویدبخش ، به گفته لیبر ، الگودهی شیمیایی سطح به صورت خطوط موازی با فاصله چندنانومتر و سپس استفاده از یک جریان مایع روی سطوح الگودهی شده برای ردیف کردن نانوسیمها در آن الگوهاست. وی می‌گوید : " ایجاد آرایه معلّق نیازمند حقّه بیشتری است،" ولی ممکن است با رشد کنترل شده نانولوله‌ها ازنانو ذرّات کاتالیستی، ]فرایند ساخت نانولوله[ این کار را بتوان انجام داد. لیبر می‌گوید گروهش دیوانه‌وار کار می‌کند تا آرایه‌های متقاطعی را بسازد که شامل 16000 اتّصال و " دانسیته‌ای فراتر از آنچه در چند سال آینده فناوری سیلیسیم می‌تواند انجام دهد" باشد. به گفته او، چنین چیپی به معنای طی کردن بخش مهمی از راه است – البتّه یک قسمت خیلی کوچک از راه دراز تجاری شدن فناوری نانوالکترونیک.

چیدمان و محاسبه متکی بر DNA :

ایده آرایه‌ها، سیمهای متقاطع، و محاسبات در کارهای استاد شیمی نادریان سیمن در دانشگاه نیویورک نیز نمود یافته است. ولی در این مورد، سیمها ، رشته های زیگزاک ، به هم بافته و متقاطع DNA هستند که مشابهشان در طبیعت دیده نشده است. برخی از این مولکولها برای ساخت اشیا و ابزارهای نانومتری برپایه DNA یا حتی محاسبه DNA ای مناسب هستند. در طول دو دهه گذشته ، سیمن از پتانسیل DNA برای ساختن یا به عنوان مواد ساختمانی ساختارهایی مثل بلورها یا نانوابزارها، بهره جسته است. او و همکارانش با استفاده از مولکولهای DNA شاخه‌دار دو رشته‌ای با سرهای چسبنده ( لبه‌های رشته‌های‌ DNA که می‌توانند به لبه‌های مکّمل رشته‌های DNA دیگر متّصل شوند)، اشیای نانومتری پیچیده‌ای مثل مکعب، هشت‌وجهی ناقص و دیگر اشکال ساخته شده ازDNA را بدست آورده‌اند. سیمن امیدوار است در نهایت قادر به ساخت ساختمانهایی تو در تو به شکل دو و سه بعدی باشد، به نحوی که نیازی به تعیین مکان ویژه ای روی- برای یک جزء خاص که بایستی وارد آرایه شود- نباشد. وی می‌گوید : " من معتقدم این مسئله ما را واقعا" به جامدات طرّاح و مواد هوشمند می‌رساند." بااین حال خاطرنشان می‌کند،که به عنوان یک ماده ساختمانی ، DNA شاخه‌دار معمولا" فاقد سفتی است. بنابراین در سالهای اخیر گروه او، نحوه‌های چیدنی از رشته‌های DNA ارائه داده‌اند که استحکام ساختمانی بیشتری داشته، و برای ساخت آرایه‌های دو بعدی DNA و یک ابزار نانومکانیکی که بازوهای صلب آن فقط بین دو حالت ثابت قادر به چرخش‌اند، بکار گرفته شده‌اند. آخرین شاهکار سیمن در این راستا، مولکولهای موسوم به چلیپای سه گانه است که چهار رشته DNA با هم ترکیب شده‌اند تا سه مارپیچ دو رشته‌ای مسطح موسوم به کاشی را به وجود بیاورند. این مارپیچ‌ها ازطریق چهار نقطه، که رشته‌های یک مارپیچ به مارپیچ دیگر وصل می‌شوند ، به همدیگر زنجیر شده‌اند. و البتّه می‌توانند رشته‌های چسبیده همتای خود را مبادله ‌کنند. مارپیچ مرکزی با حلقه‌های سنجاقی در دو سر بسته شده است،ولی مارپیچ های دیگر سرهای چسبنده‌ای دارند که به کاشی‌ها امکان می‌دهد یکدیگر را بشناسند. بنا به گفته سیمن و همکارش جان‌ریف ، یک استاد علوم کامپیوتر دانشگاه دوک، سرهای چسبنده شامل اطلاعاتی هستند که به کاشی امکان می‌دهد خودچیدمانی را به صورتی که یک محاسبه منطقی صورت گیرد، انجام دهند. [Nature,407,493(2000)] آنها و همکارانشان چنگ‌دی مائو و توماس لابین به کمک عمل منطقی موسوم به "XOR فزاینده" از این کاشی‌ها برای انجام چهار مرحله محاسباتی روی رشته‌ای از صفر و یک‌ها استفاده کرده‌اند. نتیجه عمل XOR، "0" است که اگر دو عدد پیاپی مشابه باشند (0 و 0 یا 1 و 1) و 1 است، اگر دو عدد متوالی متفاوت باشند. ارزش هر کاشی (0 یا 1) به کمک یک “محل محدودیت” (توالی خاصی از DNAکه شناخته‌شده و با آنزیمهای "محدودیت" بریده می‌شوند) مشخّص می‌شود. کاشی‌های ورودی و خروجی ، سرهای چسبنده متفاوتی دارند.و در محلول با کاشی‌های" نبشی" مخلوط هستند. کاشی‌های نبشی ارزشهای محاسبه را در ابتدای کار وارد کرده و به تاسیس یک قالب کاری برای ارتباط کاشی‌های ورودی و خروجی کمک می‌کنند. کاشی‌ها مطابق الگوریتمی که توسط کاشی‌های خروجی تعیین شده است، عمل خود چیدمانی را انجام می‌دهند (به طور اتوماتیک کنار هم قرار می‌گیرند.) کـاشی‌های ورودی در ابتدا در یک وضعـیت مسطح پلکانی چیده می‌شوند.و بسته به نحوه مرتّب شدنشان، کاشی‌های خروجی خود را- ازطریق جفت شدن سرهای چسبنده مکمل یکدیگر- در شکافهای کوچک موجود روی پلکان جا می‌دهند.

سیمن: محاسبه نانوهرتز با DNA

پس از کامل شدن مجموعه، پاسخ باید استخراج شود . یک رشته گزارشگر که درون هرکدام از کاشی‌ها بافته می‌شود، شامل محل محدودیتی است که ارزش کاشی را مشخّص می‌کند. رشته‌های گزارشگر مربوط به کاشی‌های مجاور به یکدیگر جوش خورده ، رشته‌ای درازتر ایجاد می‌کنند، که از مجموعه خارج می‌شود رشته به هم جوش خورده،پس از تقویت شدن، باکمک آنزیمهای محدودیت بریده‌شده و اجزای حاصل به کمک الکتروفوریزیس ژل سنجیدهمی‌شوند. سیمن می‌گوید : " این کار از همه جهت شبیه توالی‌سنجی DNA است ،مگر اینکه دقّت عمل خیلی کمتر است!" ؛ پاسخ- ارزش کاشی‌های خروجی که خودچیدمانی کرده‌اند- را مستقیما" از الگوی خطوط در ژل می‌توان خواند. این مدل فقط از چهار ورودی سود می‌برد. محاسبات طولانی‌تر نیز به گفته سیمن با یک مرحله ساده خودچیدمانی انجام می‌شود. ولی با افزایش تعداد مراحل محاسباتی، احتمال خطا بیشتر می‌شود. در تجربه‌ای که در مجلّه Nature بیان شده، میزان خطا 2 تا 5% برآورد شده است. سیمن خاطرنشان می‌کند که این خودچیدمانی الگوریتمی ، نسبت به چیدمانیهای DNAای که او روی آنها کار کرده است، به صحّت بیشتری نیاز دارد .درکار قبلی‌ او روی آرایه‌های تناوبی، یک کاشی " صحیح" با کاشی‌های " غلط" رقابت می‌کرد و " لذا فراهم‌آوری شرایط کارکرد صحیح زیاد سخت نبود." او می‌گوید : " در این مسئله ، کاشی صحیح با کاشی‌های نسبتا" صحیح رقابت می‌کند. شما در این مسئله باید سخت‌گیرانه‌تر از مسئله ترتیب تناوبی کار کنید. شما باید به تمام صحت و درستی دست یابید و نه نصف آن! " اریک وین ‌فری ، یک دانشیار علوم کامپیوتر و سیستمهای محاسباتی و عصبی در موسسه فناوری کالیفرنیا، چندسال قبل برای اولین بار پیشنهاد استفاده از DNA برای تقلید کاشی‌های وانگ را ارائه کرده بود- مربع‌هایی با گوشه‌های رنگی که وقتی طوری کنار هم چیده شوند که گوشه‌های همرنگ کنار هم قرار گیرند برای انجام محاسبات قابل استفاده‌اند. سرهای چسبنده روی کاشی‌های DNA معادلهای منطقی گوشه‌های رنگی کاشی‌های وانگ اند. وین فری با ذوق زدگی از مقاله سیمن-ریف می‌گوید: " این اولین ظهور تجربی ایده‌هایی است که من در تز دکترایم مطرح کردم." هر چند، قسمت مشکل کار حرکت از نظم یک بعدی به دو و سه بعدی است، وین فری می‌گوید : " این کار، موجب پردازش اطلاعات بسیار پیچیده‌تری خواهد شد"- البته در صورت عملی شدن. دیوید هارلان‌وود، یک استاد علوم کامپیوتر در دانشگاه دلاویر معتقد است، روشن سیمن برای ساخت بیش از محاسبه مفید است.
وود می‌گوید : " وقتی من این مقاله را خواندم و به ساختن فکر کردم؛ نظرات شگفت‌انگیزی در مورد سیخ‌ها یا تخته‌های پروازکننده در فضا داشتم." ولی او فکر کرد که: " اعمال این تکنیک محاسباتی در 1012 مولکول مجزا از یکدیگر،واقعاْ مشکل است. ولی در عوض، یک کامپیوتر الکترونیکی قوی می‌تواند در کمتراز یک میکرو ثانیه مشکلات این مقیاس را در هم بکوبد." سیمن تأیید می‌کند :" ما در اینجا در مورد گیگاهرتز صحبت نمی‌کنیم منظور ما 100 نانوهرتز است." در هر صورت، سیمن می‌گوید ، که هدف اولیه‌اش چند محاسبه در هر ثانیه نیست، بلکه چیدمانی الگوریتمی DNA برای ساخت نانوساختارهای جدید و ذاتا" مفید است. نانوساختارها ، درهر حال چه برای انجام محاسباتی با سرعت نور، شناسایی مولکولها در طبیعت، حذف عوامل بیماریزا از بدن، یا بهبود خواص مواد طراحی شوند، کلید راهگشایی برای نانوتکنولوژی خواهند بود. و کلید ساخت نانوساختارها، شیمی است . به معنای دیگر سیمن نانوتکنولوژی را به عنوان یک زمزمه بسیار هوس‌بازانه برای شیمی در قرن آتی می‌داند. این ممکن است، ولی قطعا" به همکاری فیزیکدانان ، زیست‌شناسان ، دانشمندان علوم مواد، مهندسین شیمی و برق و دیگر متخصصینی که با هم کار خواهند کرد ، نیاز خواهد بود. هیث از UCLA می‌گوید : " اکنون زمان هیجان‌انگیزی برای به انجام رساندن علوم نانوست. این رشته با سرعت بسیار زیادی به جلو در حال حرکت است." او از تصمیم دولت آمریکا برای شتاب بخشیدن به تحقیقات علوم نانو به عنوان بخشی از پیشگامی ملّی نانوتکنولوژی به هیجان آمده، می‌گوید :" تنها شکایت من این است که آنها چرا نام این طرح را پیشگامی ملّی علوم و فناوری نانو نگداشته‌اند. علّت چنین نامگذاری‌ای ساده است : فناوریهای نانویی که از علوم نانو برمی‌خیزد، به نظر می‌رسد نانوتکنولوژی اکثر صنایع کلیدی ما را دگرگون سازد ولی در ابتدای کار به علوم نانو نیاز است. " چهار رشته رنگی DNA برای ایجاد سه مارپیچ دوگانه به هم مرتبط مسطح موسوم به کاشی، در هم بافته شده‌اند. قسمتهای راه‌راه، به طور تقریبی معرف " زوجهای بازی" است . سه فلش نشانگر سه سر هستند . خط قطور قرمز، رشته گزارشگر است. سیمن از این کاشی‌ها برای ساختن و محاسبه استفاده می‌کند.

کارگاه عملی – نظری کلونینگ , نشاندار کردن و هیبریدیزاسیون اسید ه

کارگاه عملی – نظری کلونینگ , نشاندار کردن و هیبریدیزاسیون اسید های نوکلئیک(قسمت دوم)

انجام واکنش Ligation:

1- مقدار insert و vector را تخمین برنید ( برای انجام واکنش مولاریته insert را سه برابر vector در نظر بگیرید )
2- حجم واکنش را در نظر بگیرید ( بهتر است یک میکروگرم DNA را درواکنشی به حجم 20-30 میکرولیتر انجام گیرد )
3- با آب دوبار تقطیر استریل حجم واکنش را تنظیم کنید
4- واکنش را مدت 5 دقیقه در 45 درجه قرار دهیدتا انتهاهای Cohesive کاملا" Relax شوند
5- بافر Ligation را با غلظت نهایی 1x استفاده کنید
6- یک میکرولیتر آنزیم T4 DNA ligase به واکنش اضافه کنید
7- چند ثانیه آن را spin کنید
8- مدت 3-2 ساعت در دمای 37 درجه قرار دهیدو سپس واکنش را ترانسفرم کنید.
18- پیدا کردن کلنی های حاوی Recombinant DNA:
در این کارگاه آموزشی از دو روش استفاده میکنیم
الف ) غیر فعال کردن ژن مقاومت به تتراسیکلین پلاسمید pBR322جایگاه آنزیم BamHI روی سکانس ژن مقاومت به تتراسیکلین پلاسمید pBR322 قرار دارد چنانچه DNA خارجی در جایگاه این آنزیم کلون شود و پلاسمید نو ترکیب در باکتری ترانسفرم گردد ، باکتری نسبت به تتراسیکلین حساس میشود.Insert DNA مورد استفاده که قطعه ای از DNA میتوکندری (kDNA) انگل لیشمانیا میباشد در حدود 800bp است که آن را در جایگاه BamHI پلاسمید pBR322 کلون میکنیم
1- محصول Ligation را درباکتری HB101 ترانسفرم کنید ( باکتری XL1-blue نسبت به تتراسیکلین مقاوم است و برای این آزمایش قابل استفاده نمیباشد).
2- محصول ترانسفرم شده را روی پلیت آگار حاوی آمپی سیلین و بدون تتراسیکلین پخش کنید.
3- روز بعد یک Master plate حاوی آمپی سیلین و بدون تتراسیکلین تهیه کنید و آن را شطرنجی نموده و خانه های آن را شماره گذاری نمایید سپس کلنی های حاصل از ترانسفرماسیون شب قبل را داخل خانه های شطرنجی (شماره دار) پلیت منتقل کنید.
4- روز بعدنیز آگار پلیت مشابه روز قبل تهیه کنید که دارای دو آنتی بیوتیک آمپلی سیلین و تتراسیکلین باشد (100μg /ml آمپی سیلین و 12.5μg/ml تتراسیکلین ) و هر کلنی را در خانه هم شماره آن روی پلیت حاوی تتراسیکلین و آمپی سیلین کشت دهید
5- روز بعد هر کدام از کلنی ها که رشد نکرد ه باشند حاکی از حساس بود ن آنها به تتراسیکلین میباشد (قطعه DNA مورد نظردر پلاسمید کلون شده است).
6- کلنی باکتری که رشد نکرده را از روی Master plate شماره 1 ( بدون تتراسیکلین ) پیدا کرده و از آن کشت شبانه تهیه کنید
پلاسمید آن را استخراج کرده و با آنزیم BamHI آن را برش دهید ، بعد از الکتروفورز باید قطعه DNA کلون شده را روی ژل مشاهده کنید ( تقریبا" 800bp میباشد ) .
ب) غیر فعال کردن ژن LacZ` پلاسمید Bluescript و مشاهده کلنی ها ی آبی و سفید
( alfa- complementation test ) همانطور که قبلا" گفته شد MCS پلاسمید Bluescript داخل ژن LacZ` تعبیه شده است . سکانس این ژن قسمتی ازسکانس ژن آنزیم β-galactosidase است , این آنزیم اثصالات بتا گالاکتوزیدی لاکتوز را تجزیه کرده و لاکتوز را به گلوکز و گالاکتوز تبدیل میکند , همچنین ماده X-gal را که آنالوگ لاکتوز میباشد تجزیه کرده و رنگ آبی تولید میکند. سلولی (باکتری) که آنزیم بتا گالاکتوزیداز آن ناقص باشد یعنی ژن قطعه LacZ` را نداشته باشد چنانچه با پلاسمیدی که سکانس ژن LacZ` داشته باشد ترانسفرم گردد آنزیم بتا گالاکتوزیداز آن کامل میشود و میتواند لاکتوز یا X-galرا تجزیه کند. چنانچهinsert DNA درMCS این پلاسمید کلون شود ژن مذکور غیر فعال شده و باکتری نمیتواند بعد ترانسفرم شدن با پلاسمید X-gal را تجزیه کند در نتیجه رنگ آبی تولید نمیشود و کلنی های بیرنگ تولید میشود
A) در سیستم alfa-complementation test. کروموزوم باکتری ژن lacZ ناقص دارد و قسمت N ترمینال(alfa peptide) ژنβ-galactosidase راکد نمیکند و محصول ژن فاقداین قسمت میباشد . ژن lacZ` پلاسمید در داخل باکتری قسمت alfa peptide را کد میکند و ژن بتا گالاکنوزیداز فانکشنال تولید میشود که در حضور X- gal رنگ کلنی های باکتری آبی میشود . (b یک قطعه DNA در پلاسمید کلون شده ,ژن lacZ` ناقص شده است ونمیتواندX-gal راتجزیه کند در نتیجه کلنی های باکتری سفید میگردند.
1- DNA را در جایگاه آنزیم BamHI یا EcoRI پلاسمید Bluescipt کلون ( Ligate ) کنید.
2- واکنش Ligation را داخل باکتری XL1- blue ترانسفرم کنید ( ژنآنزیم β-galactosidase این باکتری ناقص است و همراه ژن LacZ` پلاسمید Bluescript کامل میشود اما ژن آنزیم بتا گالاکتوزیداز باکتری HB101 کامل است وبرای این منظور قابل استفاده نمیباشد )
3- باکتری ترانسفرم شده را روی آگار پلیت حاوی X-gal و IPTG پخش کنید ( IPTG یک ماده القاء کننده پروموتور ژن است و موجب بیان آنزیم β-galactosidase میشود ) .
4- قبل از پخش کردن واکنش روی پلیت , به هرکدام مقدار 40 میکرولیتر از 20 mM X- gal و 4 میکرولیتر از 200 mg/ml IPTG اضافه کنید.
5- روز بعد ( 16-12 ساعت ) کلنی های آبی و سفید روی پلیت آگاررشد میکنند که کلنی های سفید حاوی Recombinsnt plasmid میباشند
توجه : اگر پلیت حاوی X- gal و IPTG را چند ساعت در 4 درجه قرار دهید رنگ آبی بخوبی ظاهر میشود. مرکز کلنی حاوی ژن بتا گالاکتوزیداز آبی کم رنگ و محیط آن آبی پررنگ است. در مرکز کلنی های سفید نقطه آبی خیلی کم رنگ دیده میشود ولی محیط آنها بیرنگ است.کلنی های سفید راکشت دهید و پلاسمید آنهارااستخراج کنید. پلاسمید را با آنزیم BamHI هضم کنید باید بعد از الکتروفورز قطعه DNA کلون شده را روی ژل مشاهده کنید
19- Polymerase Chain Reaction ( PCR)
واکنش زنجیره ای پلیمراز روشی است که قسمتی از سکانس مولکول DNA که بین دو پرایمر قرار دارد توسط آنزیم پلیمراز وبکمک چهار داکسی نوکلئوتید تری فسفات در آزمایشگاه تکثیر (Amplify) میشود. .dsDNA متشکل از دو رشته آنتی پارالل میباشد که توسط اتصالات هیدروژنی وبصورت کووالانت به یکدیگر متصل هستند. همانند سازی DNA بکمک الیگو نوکلئو تید هایی که پرایمر گفته میشوند انجام میگیرد. الیگونوکلئوتیدها مولکولهای DNA تک رشته کوتاه هستند که هر کدام از آنها مکمل یک انتهای سکانس DNA هد ف ( الگو ) می باشند.پرایمر ها توسط آنزیم DNA پلیمراز و در حضور dNTPها از روی DNA الگو ( تک رشته ای است ) همانند سازی میکنند و رشته های جدیدی مکمل رشته های هدف سنتز میگردد.
مراحل یک سیکل PCR :1- مرحله Denaturation : در این مرحله DNA هدف بر اثر حرارت تک رشته ای میشود.
2- مرحله Annealing : در این مرحله با کاهش حرارت سیستم ، پرایمر ها در محل مناسب روی رشته مکمل متصل میشوند
3- مرحله Extension : در این مرحله که دمای آن برای آنزیم DNA پلیمرازمطلوب میباشد موجب توسعه پرایمر ها شده و همانند سازی DNA هدف انجام میگیرد. محصول PCR عبارت است از قطعه همانند سازی شده ای که دو طرف این قطعه سکانس پرایمر ها وجود دارند .
فاکتور هایی که روی کار آیی PCR تاثیر دارند:
1- بعد از 25تا 30 سیکل بعلت حرارت آنزیم دناتوره شده و غیر فعال میشود
2- غلظت زیادرشته های هدف موجب Reannealingآنها شده و با پرایمر ها رقابت میکنند .
روش PCR توسط مولیس کارمند شرکت Cetus ابداع گردید. ابتدا این کار توسط سه بن ماری با حرارت های مختلف انجام میگرفت واز آنریم کلنو بعنوان DNA polymerase استفاده میشد. این آنزیم در اثرحرارت دناتوره میشودو اجبارا"باید دوباره در هر سیکل به واکنش اضافه شود. Saiki از آنزیم DNA polymerase مقاوم به حرارت که از باکتری ترموس آکواتیکوس خالص میشود و اصطلاحا" Taq DNA polymerase گفته میشود استفاده کرد وامروزه واکنشPCR بصورت اتوماتیک انجام میگیرد.

پارامتر های موثر در PCR :

1- زمان و دمای Denaturation بستگی به تعداد G و C دارد
2- دمای Annealing پرایمرها که باید 3-4 درجه کمتر از دمای ذوب پرایمر ها باشد
3- زمانPrimer extension که به تعداد بازهای بین دوپرایمر بستگی دارد
4- - تعداد سیکلها
5- Ramp ( زمانی که طول میکشد تا دمای مبدا دستگاه به دمای مقصد برسد ) هرچه این زمان کمتر باشد نتیچه کار بهتر است و واکنش زمان کمتری در دمای ناخواسته قرار میگیرد
6- غلظت dNTP ها و یون منیزیوم ( اینها مجموعه ای را تشکیل میدهند که موجب فعالیت آنزیم پلیمراز میشوند و غلظت این دو ماده تابعی از یکدیگر میباشند )
7- غلظت Template DNA ( یک دهم تا یک میکروگرم میباشد ) چنانچه DNA هدف بصورت مالتی کپی در ژنوم باشد بهتر است.
8- اضافه کردن تشدید کننده های PCR
10- حذف مها رکننده های آنزیم از محیط
11- بهتر نقطه ذوب پرایمر ها (شبیه هم باشد ( Tm یکسان داشته باشند).
20- طراحی پرایمر :
پرایمر ها ی PCR بصورت کاملا" اختصاصی ومکمل ناحیه مورد نظر DNA هدف طراحی میگردند. پرایمر ها 30-20 بازدارند و پرایمر های بیش از 30 باز اختصاصیت خوبی ندارند. همچنین پرایمر باید دمای آنیلینگ بالا داشته باشد. بهتر است تعداد بازهای دوپرایمر مساوی باشند و از پلی پورین یا پلی پیریمیدین نباشند، همچنین نواحی تکرار شونده نداشته با شند چنانچه بازهای G یا C بصورت تکراری و پشت سرهم باشند پرایمر بصورت لوپ در می آید و عملا" سیستم کار نمیکند. انتهای 3` دو پرایمر نباید مکمل باشد زیرا پرایمر دایمر تشکیل میشود.نرم افزارهایی وجود دارد که طراحی پرایمر را انجام میدهند. بعد از طراحی پرایمر بهتر است تو سط نرم افزارهایی مانند Blast آنها را چک نمود تا مشخص شود که با چه ژنهای دیکر میتوانندAnneal گردند.در هر سیکل PCR تعداد مولکولهای DNA دو برابر میشود. رشته های DNA توسط حرارت (95-93درجه ) از یکدیگر باز میشوند ( Denaturing ) و سپس دردوره بعدکه حرارت پایین می آید (60-50درجه ) پرایمر ها بصورت اختصاصی به ناحیه هدف متصل میشوند ( Annealing ). آنزیم Taq DNA polymerase در دمای مطلوب (72درجه ) ودر بافر مخصوص , چهار( dATP, dTTP, dCTP, dGTP ) dNTP را طبق رشته الگو بهم متصل میکند (Extension ) .لازم به ذکر است که DNA های کوتاه ( Short target product ) یعنی رشته هایی که بین دوپرایمر محصور هستند بصورت تصاعد هندسی (exponential ) و DNA های بلند ( long target product ) یعنی رشته هایی که از یک طرف توسط یک پرایمر محدود هستند و از سمت دیگر نامحدود میباشند بصورت تصاعد حسابی (linearly ) زیاد میشوند .
مواقعی که پرایمر ها کاملا" مکمل DNA هدف( الگو) نباشند :
1- پرایمر هایی که برای ایجاد موتاسیون در یک ژن طراحی میگردند
2- پرایمرهایی که سمت 5` آنها جایگاه شناسایی آنزیم محدودگر تعبیه میشود تا بتوان محصول PCR را توسط آن آنزیم برش داد . این کار برای کلون کردن محصول PCR انجام میشود.
3- پرایمر هایی که لازم است محصول PCR آنها دارای پروموتور باشد و برای بیان یک ژن کاربرد دارند
فاصله دو پرایمر باید کمتر از 10 kb باشد ( کارآیی همانند سازی برای محصول PCR بیش از 3kb کمتر است ) بهتر است پرایمر ها را بر حسب کاری که لازم داریم طراحی شوند
چگونگی رد یابی ( detect ) محصول PCR :
1- هیبرید شدن محصول PCR با الیگو نوکلئوتید نشاندار ( پروب )
3- الکتروفورز روی ژل آگارز یا پلی اکریلامید
انواع PCR ( بمنظور تصحیح محصول ):
1- Hot start PCR : عبارت است از جدا کردن یک یا چند ترکیب مهم PCR ( ترجیحا" انزیم پلیمراز) بطوریکه بلا فاصله بعد ار دناتوراسیون DNA هدف به واکنش اضافه میشوند ( استفاده از , PCR gem و آنتی بادی آنزیم پلیمراز )
- Hot start بکمک آنتی بادی : مونوکلونال آنتی بادی ضد آنزیم پلیمراز را به واکنش اضافه میکننددرنتیجه فعالیت پلیمرازی آنزیم را مهار میکند. هنگامیکه دمای واکنش به 94 درجه میرسد آتی بادی دناتوره میشود و دو باره پلیمراز فعال میشود.
- Hot start بکمک Ampliwax : به دیواره لوله های محصوص اینکاربه نوعی واکس آغشته است که بعد از مختصری گرم کردن ذوب شده و روی ئاکنش را میپوشاند . آنزیم پلیمراز را روی واکس قرار میدهند . در دمای 94 درجه این واکس بخار میشود و آنزیم پلیمراز با واکنش تماس پیدا میکند
2- Touch down PCR : در این روش دمای آنیلینگ ازدمای بالاتر از Tm بندرت کاهش میابد وموجب کاهش محصول کاذب و پرایمر دایمر میشود.
3- Nested PCR : مواقعی که DNA هدف در نمونه مورد آزمایش کم باشد برای جلوگیری از بالابردن مقدار DNA و مهار واکنش توسط پرایمر های خارجی قطعه طویلتری همانند سازی میشود و از محصول PCR اول که بیشتر DNA هدف همانند سازی شده است یک واکنش دیگر با پرایمر های داخلی انجام میگیرد. در این روش اختصاصیت و حساسیت PCR بالا میرود.
5- Long distance PCR : با این روش قطعات ببیش از 20 kb همانند سازی میشوند. برای انجام این نوع PCR باید DNA ژنومی از کیفیت بالایی برخوردار باشدو پرایمر ها به دقت طراحی شوند. برای اینکاراز klon taq استفاده میشود.این آنزیم نسخه ای از DNA poly است که قسمت N ترمینال آن حذف شده است و با pfu poly به نسبت 180 به 1 مخلوط میشود و فاقد 5` اگزو نوکلئازی است

کلونینگ با PCR :

1- قرار دادن جایگاه شناسایی آنزیمهای برش دهنده در طرف 5` سکانس پرایمر.
مشکلات : این جایگاه ممکن است روی قطعه همانند سازی شده نیز وجود داشته باشد.
گاهی این جایگاه هنگام هضم شدن با آنزیم اشکال ایجاد میکندکه باید تعدادی باز به انتهای 5` پراپمر اضافه شود.
استفاده از جایگاه دو آنریم متفاوت در هضم اشکال ایجاد میکند.
2- Blunt end ligation : برای اینکار دو انتهای قطعه همانند سازی شده باید Polish شود این کار توسط آنزیمهای کلنو و T4 DNA polymerase ( پرکردن قسمت over hang ) و یا آنزیم های S1 nuclease و Mong bean nuclease انجام میشود
3- - T vector پلاسمید ناقل را با آنزیم EcoRV ویا هر آنزیم دیگرکه DNA را بصورت Blunt برش میدهد هضم میکنند سپس توسط آنزیم Terminal transferase یا آنزیم Taq poly تعدادی T به انتهاهای 3` رشته های پلاسمید خطی شده اضافه میکنند .( لازم به ذکراست که آنزیم Taq poly دارای خاصیت ترمینال ترانسفرازی است و تعدادی A به انتهای 3` محصول آمپلی فای شده اضافه میکند ) . با انجام واکنش Ligation پلاسمید و محصول PCR را بهم متصل میکنند.
4- تولید نیمه جایگاه شناسایی یک آنزیم برش دهنده در طرف 5` پرایمر. قطعات با T4 poly nucleotidkinase و ATP فسفریله میشوند و سپس بهم متصل میگردند ، بعد توسط یک آنزیم هضم شده و کلونینگ انجام میگیرد .

ایجاد تغییر در محصول PCR :
میتوان درسمت پایه5`` پرایمر یک پروموتور ویا جایگاه اتصال ریبوروم ( Ribosom Binding Site ) تعبیه نمود، همچنین میتوان یک Non tanslated leader بین پروموتور و ژن قرار داد تا ناحیه برای شروع سنتز پروتئین مناسب باشد. این کاربرد بنام Expression PCR گفته میشود
20- Reverse Transcriptase PCR ( RT- PCR ):
تعدادی از آنزیم های پلیمراز بجای DNA از RNA بعنوان سوبسترا استفاده میکنند واز روی RNA یک رشته DNA سنتز میکنند. رشته جدید سنتز شده را cDNA میگویند و واکنش بنام نسخه برداری معکوس Reverse transcription)) گفته میشود. آنزیمهایی که ار RNA بعنوان سوبسترا استفاده میکنند Reverse trnscriptase معروف هستند. آنزیم Tth که از باکتری ترموس ترموفیلوس بدست می آید در حضور یون منگنز فعالیت Reverse trnscriptase و در حضور یون منیزیوم فعالیت DNA polymerase دارد. آنزیم AMV که از یک نوع ویروس پرندگان بنام Avian Myeloblastosis Virus trnscriptase استخراج میگردد فعالیت RNase H هم دارد. دمای مطلوب فعالیت آن 42 درجه است و برای تهیه cDNA با طول کمتر از 500 b استفاده میگردد. آنزیم MMLV ازیک نوع ویروس جوندگان بنام Mouse Molony Leukemia Virus استخراج میشود و فعالیت RNase H آن کمتر از آنزیم قبلی میباشد . در 37 درجه فعالیت میکند . آنزیم Superscript آنزیم MMLV مهندسی شده است که ژن قسمتی که فعالیت RNAse H دارد را از آن حذف کرده اند و برای تهیه cDNA بزرگ استفاده میگردد.
PCR با پرایمر های احتمالی (Degeneracy primer):
این پرایمر ها بر اساس اطلاعات ترادف پروتئین یک ژن طراحی میشوند و بر اساس اسید های آمینه ای انجام میگیرد که دارای یک یا دو کدون باشند.پرایمر هایRAPD - بنام پرایمر های اختیاری هم گفته میشوند . این پرایمر ها پلی مرفیسم را بدون شناخت توالی نوکلئوتیدی ردیابی میکنند
21– استخراج DNA از خون :
1- مقدار 500 میکرولیتر خون ( خون لخته نشده باشد – برای کارهای PCR از EDTA بعنوان ضد انعقاد استفاده شود زیرا مواد ضد انعقاد دیگر مهار کننده آنزیم پلیمراز میباشند)
2- مقدار یک سی سی از باهر لیز کننده به آن اضافه کرده سانتریفیوژ نمایید
Lysis buffer = 0.33 M sucrose, 10mM Tris , 5mM MgCl2, 1% Triton X-100
3- مایع رویی را دور بریزید و رسوب خاصل را چندین مرتبه در بافر فوق سوسپانسسیون نموده سانتریفیوژ کنید تا رسوب بدست آمده شفبف گردد.
4- مقدار 400 میکرولیتر بافر لیز کننده به آن اضافه نموده سوسپانسیون کنید و مدت 20 دقیقه بجوشانید.
5- با فنل و کلرفرم آن را استخراج کنید
6- با الکل آنرا روب داده و در 50 میکرولیتر آب حل کنید
7- مقدار 2-5 میکرولیتر آن را برای واکنش PCR استفاده کنید.
22- انچام واکنش PCR
توجه : آزمایش باید در محلی بدون رفت و آمد انجام گیرد . سمپلر های مورد استفاده نباید برای کارهای دیگر استفاده شوند ، ظروف، لوله ها و سر سمپلر ها اتو کلاو شوند و هنگام کار از دستکش استفاده شود .
انجام واکنش PCR : مواد زیر را داخل لوله مخصوص واکنش PCR بریزید :
10mMdNTP 0.5 μl (0.1mM)
10x PCR buffer 5 μl
MgCl2 1.5 μl (1.5 mM)
Primer -1 20pmmol
Primer -2 20 pmol
Taq DNA polymerase 0.25 μl ( 1.25 U)
Template DNA 0.1- 1 μg
dH2O up to 50μl
لوله ها را داخل Block دستگاه ترموسایکلر قرار دهیدو دستگاه را روشن کنید. (مقدار 100 μl روغن معدنی روی واکنش بریزید تا از بخار شدن مواد ممانعت بعمل آورد. لازم به ذکر است که دستگاههای ترموسایکلرجدید بصورت Heated lid ساخته شده اند یعنی درب دستگاه که روی لوله های واکنش قرار میگیرد حدود 105 درجه گرم میشود در نتیجه بالای لوله گرمتر از پایین آن است و از بخار شدن مواد داخل لوله جلوگیری میشود). پس از اتمام کار محصول آمپلی فای شده را با آگارز 3 درصد الکتروفورز کنید.
.23 - استخراج RNA از سرم:
از دستکش یکبار مصرف استفاده کنید. تیپ و لوله های مورد استفاده را اتوکلاو شوند. در محیط کار و دستها RNase زیاد است و RNA زود هیدرولیز میشود لوله , تیپ و مواد و لوازمی که با RNA در تماس هستند نباید با دست بدون دستکش تماس پیدا کنند.
1-مقدار 500 میکرولیتر از بافر RNXplus در لوله 5/1 سی سی بریزید
2- مقدار 100 میکرولیتر از سرم به آن اضافه کنید و درب لوله رابسته خوب محلوط کنید
3- مقدار 100 میکرولیتر کلرفرم به آن اضافه کنید
4- درب لوله رابسته و خوب بهم بزنید و 2 دقیقه در هوای آزلد قرار دهید
5- مدت 10 دقیقه با 10هزار دور در دقیقه سانتریفیوژ کنید
6- مایع شفاف رویی را به لوله جدید منتقل کنید.
7- دوبرابر حجم آن الکل مطلق اضافه کرده و 10 دقیقه سانتریفیوژ کرده مایع رویی را حذف کنیدو لوله را وارونه روی کاغذ جاذب الرطوبه قرار دهید
8- مقدار 100 میکرولیتر الکل 75 درجه اضافه کرده سانتریفیوژ کنید و سپس مایع رویی را خذف کرده و رسوب را خشک کنید
9- رسوب را در 40 میکرولیتر DEPC treated water حل کنید
24- انجام RT-PCR:
1- مقدار 10 میکرولیتر از RNA مرحله قبل را RT-PCR استفاده کنید
RNA 10 μl
RT buffer 4 μl
RT enzyme 0.5 μl
RNasine 0.3 μl
dNTP 1 μl
primer (1&2) 20pmol
DEPC water up to 20 μl
قبل از اضافه کردن RNA مدت 10 دقیقه آن را در 70 درجه قرار دهید تا از تشکیل لوپ جلوگیری شود. واکنش را یک ساعت در 42 رجه قرار دهید و سپس 5 دقیقه در 94 قرار دهید تاRT غیر فعال شود وآنزیم پلیمراز را مهار نکند. سپس به هر لوله مقدار 0.25 μl آنزیم پلیمراز اضافه کنید و با برنامه زیر واکنش را 30 سیکل ادامه دهید:
Denaturation 94o 30 sec
Annealing 55o 30 sec
Extension 72o 30 sec
برای واکنش Nested مقدار یک میکرولیتر از محصول PCR استفاده کنید
Taq poly 0.25 μl
10 x PCR buffer 5 μl
Mg Cl2 1.5 μl
Primer (F&R) 3 μl
DNA 1 μl
dH2O up to 50 μl
واکنش را مختصری سانتریفیوژ کنید وبا برنامه زیر واکنش را 30 سیکل ادامه دهید:
Denaturation 94o 30 sec
Annealing 57o 30 sec
Extension 72o 30 sec
در انتها مدت 5 دقیقه آن را دردمای 72 درجه قرار دهید واکنش را با ژل آگارز 3 درصد الکتروفورز کنید ( پرایمرها تعداد 250bp را از ناحیه 5`UTR ویروس هپاتیت C را آمپلی فای میکنند.

باید ها و نباید ها در PCR

1. هنگام تهیه واکنش نمونه کنترل مثبت را آخر کار تهیه کنید
2. اعمال قبل و بعد از PCR جدا از همدیگر انجام گیرند
3. برای استفاده ازهر ماده از پیپت جدا گانه و اختصاصی استفاده کنید
4. از پیپت هایی که دارای plug هستند و یا از پیپت های یکبار مصرف استفاده کنید
5. مواد ذخیره آزمایشگاه را تقسیم کرده و فریز کنید و هرچند وقت صحت آنها راکنترل کنید
6. هنگام استفاده هرلوله را spin کنید تا موادی که به اطراف درب لوله چسبیده اند رسوب کنند
7. چند ین کنترل منفی حین آزمایش Run کنید
8. برای انحام آزمایشهای تاییدی ازموادفریز شده استفاده کنید
9. هیشه DNA آمپلی فای شده را خارج از محل آماده کردن نمونه نگهداری کنید
10. هنگام کار با PCR product مقداری از آن را جدا گانه نگهدارید
25- آنزیمها ی مورد استفاده درمهندسی ژنتیک
آنزیم هاابزار کار مهندسی ژنتیک در آزمایشگاه میباشند و مخقق بدون آنها نمیتواند کاری انجام دهد. در این درس با انواع آنزیمها و طرز کار آنها آشناشده و مورد استفاده هر کدام را بررسی میکنیم.
الف ) لیگازها :این آنزیمها اتصال فسفو دی استر بین تک رشته ها را روی رشته DNA تک رشته ای بر قرار میکند. 5`-p یک رشته به 3`-OH رشته دیگر متصل میشود.. کو فاکتور آنها ATP یا NAD است .
1- آنزیم DNA ligase : این آنزیم از باکتری E.coli استخراج می شود وکوفاکتور آن NAD است و اکثرا" اتصال بین دو DNA که برش انتهایی ا نها بصورت Cohesive باشد را بر قرار میکند و عده ای معتقدند که این آنزیم در فر قرار کردن اتصال بین دو DNA که برش انتهایی آنها بصورت blunt باشد مشکل خواهد داشت .
2- آنزیم T4 DNA ligase : این آنزیم از فاژ T4 استخراج میشود وکوفاکتور آن ATP است . این آنزیم اتصال هر دو انتهای Cohesive و blunt را بر قرارمیکند.
3- آنزیم T4 RNA ligase : این آنزیم اتصال فسفو دی استربین 3`- OH و 5`-P مولکولهای RNA را بر قرار میکند . کوفاکتور آن ATP و Mg2+ است
ب) نوکلئاز ها : این آنزیم ها نوکلئو تید هار ا تجزیه میکنند.
4- آنزیم DNase I : یک اندو نوکلئاز است و dsDNA را به روش غیر اختصاصی تجزیه میکند . کوفاکتور آن Mg2+ ، + Ca2 و Mn2+ است .. این آنزیم برای مقا صد زیر استفاده میشود:
- تجزیه غیر اختصاصی DNA
- نشاندار کردن DNA
- ایجاد موتاسیون در ژن
5- نوکلئاز استافیلوکوکی : DNA و RNA را به روش غیر اختصاصی تجزیه میکند.
6- انزیم RNase A- این آنزیم RNA تک رشته ای را هیدرولیز میکند.
7- آنزیم RNase H - این آنزیم RNA را که با DNA دوبلکس شده باشد راهیدرولیزمیکند و در سنتز رشته دوم cDNA کاربرد دارد.
8- آنزیم S1 Nuclease : این آنزیم پلی نوکلئو تید تک رشته ای را هیدرولیز میکند.
9- آنزیم Mong bean Nuclease – این آنزیم شبیه S1 Nuclease عمل میکند
10- آنزیم Exonuclease III (گزو نوکلئاز : (3`→ 5 فعالیت 3` فسفاتاز دارد
همچنین فعالیت شبیه RNase H هم دارددارد.
این آنزیم اتصال فسفودی استرجایگاههای آپورینی یا آپیریمیدینی را تجزیه میکند
11- آنزیم Bal1 Nuclease : این آنزیم ssDNA را به روش اگزو نوکلئازی یا اندو نوکلئازی تجزیه میکند
ج ) آنزیم های محدود گر
د) متیلازها 12- فسفاتازها : این آنزیمها فسفومونواسترازغیراختصاصی هستندکه درpH قلیایی فعالیت میکنند و درحضور پذیرنده های فسفات مانند اتانل آمین و Tris بعنوان فسفو ترانسفراز عمل میکتتد .
فسفاتاز اتصال P--O را تجزیه میکند ولی فسفوریلاز اتصال C--O را تجزیه میکند
کاربرد فسفاتاز ها :
دفسفریلاسیون انتهای فسفات اسید نوکلئیک
وقتی با پروتئین یا اسید نوکلئیک کنژوگه شوند بعنوان آنزیم رپورتر عمل میکند
بعنوان leader در ترشح خارج سلولی و پروتئین های فیوژن عمل میکند
13- آنزیمهای T4 poly Nucleotid Kinase : این آنزیمها فسفات γ را از NTP به مولکول پذیرنده (Aceptor) انتقال میدهد و عبا رتند از:
پروتئین کیناز ها
کربو هیدرات کینازها
پلی نوکلئو تید کینازها
آنزیم T4 poly nuleotide kinase برای فسفریله کردن یا نشاندار کردن 5`- OH استفاده میشود ، همچنین برای اندازه گیری فعالیت اندونوکلئازی بکار میرود.
ه ) DNA پلیمرازها : گروهی از آنزیمها هستند هستند که بکمک چهار نوکلئوتید تری فسفات (dNTP) از روی رشته الگو یک رشته DNA سنتز میکنند. این آنزیمها برای فعالیت خود احتیاج به پرایمر دارند. چنانچه دارای فعالیت 3→ 5`` اگزونوکلئازی باشند کار غلط گیری ( proof reading ) را هم انجام میدهند
14- آنزیم DNA polymerase I :
این آنزیم دارای فعالیت های زیر است :
فعالیت 3→ 5`` اگرونوکلئازی
فعالیت 5`→ 3` DNA پلیمرازی
فعالیت RNase H
فعالیت نوکلئازی
این آنزیم برای کارهای زیر استفاده میشود :
DNA LabelingNick translation
ایجاد انتهاهای Blunt
15- آنزیم T4 DNA plymerase: یک آنزیم مولتی فانکشنال است وبرای کارهای زیراستفاده میشود.
دارای فعالیت DNA پلیمرازل
فعالیت 3→ 5`` اگرونوکلئازی
برای PCR هم قابل استفاده است و در 37 درجه فعالیت میکند
برای ایجاد انتهاهای Blunt در dsDNA استفاده میشود
فعالیت 5` نوکلئازی ندارد
16- آنزیم T7 DNA plymerase: این آنزیم دارای فعالیت 3→ 5`` اگرونوکلئازی میباشد
Sequenase نسخه ای از این آنزیم است که فاقد فعالیت 3→ 5`` اگرونوکلئازی میباشد وبرای Sequencing استفاده میشود
سرعت پلیمریزاسیون این آنزیم زیاد است و برای سنتز رشته موتاژن در موتاژنزیس بکار میرود
انتهای 5`overhang را پر میکند
17- آنزیم Taq DNA polymerase : این آنزیم از باکتری گرمادوست ترموس اکواتیکوس استخراج میشود
فعالیت 3→ 5 اگزو نوکلئازی ندارد
فعالیت 5` نوکلئازی دارد
فعالیت ترمینال ترانسفرازی دارد
آنزیمهای نسخه بردار معکوس () : گروهی از DNA polymerase ها بنام RNA - dependent DNA polymerase یا Reverse Transcriptase گفته میشوند این آنزیمها RNA را الگو قرار داده و DNA مکمل آن را سنتز میکند و عبارتند از:
18 - آنزیمAvian Myeloblastosis Virus ) AMV) : این آنزیم از نوعی ویروس استخراج میشود که در پرندگان بیماری ایجاد میکند .
این آنزیم فعالیت RNase H هم دارد و برای سنتز رشته دوم cDNA استفاده میشود
19- آنزیم Molony Murine Leukemia Virus ) MLMV) : این آنزیم از نوعی ویروس استخراج میشود که در جوندگان بیماری ایجاد میکند.
آین آنزیم فعالیت RNase H کمتری از آنزیم AMV دارد
20 – آنزیم ترمینال ترانسفراز :
این آنزیم پلیمریزاسیون dNTP هارا ازروی پایه 3`- OH انجام میدهد . این آنزیم برای اتصال نوکلئوتید ها به انتهای 3`- OH رشته DNA استفاده میشود وبرای کلونینگ محصول PCR قابل استفاده است.
21- آ نزیم های RNA polymerase :
این آنزیم ها اطلاعات ژنتیکی را از DNA به RNA منتقل میکنندو عبارتند از
RNA پلیمراز باکتریایی
T7 RNA پلیمراز ، یک پروموتور قوی دارد
T3 RNA پلیمراز
SP6 RNA پلیمراز
22- آنزیم پلیمراز A: :
این آنزیم دم پلی A را سنتز میکند ودر انتهای3` رشته mRNA سلولهای یوکاریوت غیر هیستونی یافت میشود.
این آنزیم میتواند RNA های polyA منفی را به polyA+ تبدیل کندو آنها را بکمک oligo) dT) بعنوان پرایمر، به cDNA تبدیل نماید
23- آنزیم های رپورتر / مارکر:
ابن آنزیمها در کلونینگ استفاده میشوند وچون سریعا" بیان میشوند برای غربالگری کلنی های باکتریایی مفید میباشند ( آنزیم بتا گالاکتوزید ازبرای غربالگری توضیح داده میشود)
ß گالاکتوزیداز - اتصالات گالاکتوزیدی را در الیگو ساکارید ها هیدرولیز میکند
ß لاکتاماز - اتصالات آمیدی را در حلقه ß لاکتام هیدرولیز میکند و پنی سیلینوئیک اسید و سفالوسپوروئیک اسید تولید میکنند که از نظر بیولوژیک غیر فعال هستند
-کلرامفنیکل استیل ترانسفراز ( CAT) - کلرامفیکل را غیر فعال میکنند
-لوسیفرازها - آنزیم های تولید کننده نور هستند.
آنزیم های ( برش دهنده) محدود گر ((Restriction Enzymes
اندو نوکلئازهای محدود کننده گروهی از DNase ها میباشند که توالی نوکلئو تیدی خاصی را شناسایی میکنند . این آنزیم ها dsDNA را بصورت اختصاصی یا غیر اختصاصی برش میدهند. این آنزیم ها اولین بار در دهه 1950 به عنوان سیستم های Resriction وModification ( باکتریها برای جلوگیری از حمله باکتریوفاژها و عناصر ژنتیک خارجی این سیستم ها را بکار می برند ) کشف شدند. باکتریها توسط سیستم R-M میتوانند DNA ای را که از خارج هنگام عفونت ،کنژو گاسیون و ترانسفکشن وارد آنها میشود را تخریب کنند.سیستم R - M باکتریایی معادل سیستم ایمنی پروکاریوتی میباشد.سیستم های R-M که در میکرو ارگانیسمها ( باکتریها ) یافت میشوند بسیار گوناگون میباشند (حتی در داخل یک سلول ) . تعداد این آنزیمها از 2100 فراتر رفته و 17 آنزیم نوع I ، 179 آنزیم نوع II و 4 آنزیم از نوع III وهمچنین مشخصات 190 متیل ترانسفراز تغییر دهند DNA تعیین و شناسایی شده است .
سیستم هایR-M دو فعالیت آنزیمی دارند:
الف ) یک اندونوکلئاز (R.ENase) با جایگاه اختصاصی که مسئول هضم DNA خارجی میباشد
ب) یک متیلاز تغییر دهنده DNA ( متیل ترانسفراز ) که همان توالی ویژه را شناسایی میکند . متیل ترانسفراز ( M.MTase) مسئول تغییر دادن وحفظDNA خودی از هضم شدن توسط R.ENase میباشد. ممکن است فعالیت R وM در یک آنزیم (واحد) که دارای چند زیر واحد است قرار داشته و یا از نظر فیزیکی آنزیم های جداگانه باشند. علی رغم اینکه آنزیم های Restriction و Cognate Modifications سکانس مشابه را شناسایی میکنند، ترادف اسید آمینه آنها یکسان نیست، شاید این آنزیم ها با مکانیسم متفاوت DNA هدف را شناسایی میکنند .
انواع سیستم های آنزیمی Restriction - Modification
بر اساس ترکیب آنزیم ، کوفاکتورهای مورد نیاز ، قرینگی توالی DNA ای که شناسایی میکنند و مشخصات هضم DNA به چهار نوع تقسیم میشوند. لازم به ذکر است که گروه متیل دهنده سوبسترا در تمام متیل ترانسفرازها AdoMet میباشد.
آنزیم های R-M نوع I:
مجموعه چند آنزیمی متشکل از زیر واحد های غیر همسان بنام R,M و S میباشند. زیر واحد S اختصاصیت را برای MوR تعیین میکند. کوفاکتور های این آنزیمها ATP وMg2+ میباشند و DNA ای که تغییری در آن ایجاد نشده باشد را در محلی دور از جایگاه شناسایی و تا اندازه ای بصورت احتمالی ( Random ) برش میدهند . هیدرو لیز ATP قسمتی از فعالیت Restriction این آنزیم ها میباشد و بطریق رقابتی با فعالیت اندون.کلئازی خودش جایگاه اختصاصی DNA هدف را متیله میکنند.
آنزیم های R-m نوع II :
این آنزیمها دارای فعالیت R.ENase و M.MTase جداگانه میباشند . R.ENase ها دایمر بوده و زیر واحد های آنها همسان است در صورتیکه M.MTase ها آنزیم های مونومر میباشند . R.ENase های نوع II برای فعالیت خود فقط Mg2+ نیاز دارند.
R.ENase ها و M.MTase ها توالیهای اختصاصی نوکلئوتیدی مشابه را شناسایی میکنند . اکثر R.ENase های نوع دوم DNA را ازمحل جایگاه شناسایی برش میدهند ولی تعدادکمی از آنها که نوع IIS گفته میشوند DNA را در فاصله معینی از جایگاه شناسایی برش میدهند .
آنزیم های R-M نوع III:
این آنزیم ها متشکل از دو زیر واحد غیر همسان میباشند که برای فعالیت رستریکشن به ATPو Mg2+ نیاز دارند. این آنزیم هاتوالی های کوتاه غیر پالیندرم را شناسایی کرده و DNA را از محلهای معین (درصورتیکه درجایگاه شناسایی تغییری ایجادنشده باشد )برش میدهند این آنزیمها ATP را هیدرولیز نمیکنند و برای برش دادن DNA به AdoMet ( S-adenosylmethionine)نیاز ندارند اما AdoMet موجب تحریک فعالیت اندو نوکلئازی آنهامیشود.
آنزیم های نوع IV :
این آنزیمها از نظر تکاملی بین آنزیم های نوع IIوIII میباشند. این آنزیمها (مانند Eco571) متشکل از R.ENae و M.MTase جدا گانه میباشند اما R.ENase که یک آنزیم مونومر میباشد فعالیت متیلازهم دارد. این فعالیت متیلازی قدرت کافی ندارد تا DNA میزبان را در In vivo محافظت کند.R.ENase و M.MTase توالی های ناقرینه را شناسایی میکنند . R.ENase در حضور Mg2+ در فاصله معینی از جایگاه شناسایی, DNA هدف را برش میدهد ( مثلا" Eco571 بفاصله 14/16 نوکلئو تید از محل شناسایی این کار را انجام میدهد ) . فعالیت Restriction آنها توسط AdoMet تحریک میشود.
سیستم های Modification یا Restriction مستقل
علاوه بر چهار سیستم آنزیمی که بحث شد ، بعضی از باکتریها سیستم های دیگری مانند سیستم R مستقل از M و سیستم M مستقل از R دارند. یک مقوله ای از سیستم های R-M که در تکنولوژی نو ترکیب اهمیت بخصوصی دارد Restriction وابسته به Methylation ) MDRS) میباشد که R.ENase ترجیحا" DNA را در جایگاههای متیله برش میدهد . MDRS متشکل از فرآورده های ژنی است که به چندین جایگاه مستقل در ژنوم E.coli K12 مانند mcrA , mcrB و mrr متصل میباشند. جدول شماره 5- طبقه بندی سیستم های R-M

سیستم های R-M

Feature	نوع I	نوع II پروتو تایپ نوع IIS	نوع III	نوع IV
ساختمان فعال R-M	یک آنزیم با سه زیر واحد (R.M.S)	انزیم های جدا گانه Rدایمر Rمونومر Mمونومر M	یک آنزیم با دو زیر واحد	آنزیم عای مونومری جدا گانه
کوفاکتورها	ATPو mg 2+	mg 2+	ATPو mg 2+	(AdoMet) mg 2+
جایگاه شناسایی	غیر قرینه	پالیندرم غیر قرینهه	عیر قرینه	غیر قرینه
هضم DNA	فاصله متغیر از هر طرف	همان جایگاه به فاصله معینی از طره 3`	25-27bpاز طرف 3`	14bpاز طرف3`
متیلاسیون	دو رشته را بوسیله M متیله میکند	دو رشته یک متیل ترانسفراز روی هر رشته	فقط یک رشته	دو رشته

کارگاه عملی – نظری کلونینگ , نشاندار کردن و هیبریدیزاسیون اسید ه

کارگاه عملی – نظری کلونینگ , نشاندار کردن و هیبریدیزاسیون اسید های نوکلئیک(قسمت آخر)

سیستم های آنزیمی R-M نوع II:

آنزیم های محدودکننده ، مخصوصا" نوع II توالی نوکلئو تیدی منحصر بفرد را شناسایی میکنند. دقت در انتخاب توالی نوکلئو تیدی خاص ، تنوع توا لی جایگاه شناسایی و آسانی نسبی کنترل Restriction با استفاده از M.MTase ، آنزیم های نوع II را وسیله ای ضروری برای دستکاری DNA نموده است . بعلاوه توسعه DNA نوترکیب نتیجه کشف آنزیم های با جایگاه اختصاصی میباشد.تا کنون ژن حدودصدسیستم R-M کلون شده وتعیین مشخصات شده اند. ژن سیستم های R-M از نظر سازمان، Orientation و اندازه هتروژن هستند . کلونینگ ژنهای آنها خالص سازی آنزیم را آسان تر کرده و آنزیم با خلوص بالاتر تهیه میشود . بنا بر این با قیمت کمتر برای استفاده وسیع تر در دسترس قرار دارند . این کشف موجب شد تا جزئیات مکانیسم واکنش و بر خورد DNA -protein در سطح مولکولی مطالعه شود. اغلب R.ENase ها بصورت تجارتی در دسترس قرار دارند و برای ایجاد قطعات DNA برای کلون کردن ژن ، تعیین نقشه DNA و کروموزوم ، DNA Sequencing و هیبریداسیون بطور گسترده استفاده میشودارند.

نامگذاری آنزیمهای R-M

1- سه حرف اول ( ایتالیک ) جنس ( اولین حرف جنس باکتری ) و گونه ( دومین و سومین حرف ) ارگانیسم منبع را بیان میکند. مانند Eco برای E.coli و Hin برای هموفیلوس آنفلوآنزا .
2- بعد از سه حرف مذکور حرف اول سویه یا گونه بصورت غیر ایتالیک و یا اعداد عربی می آید مانند: EcoK بری Ecoli سویه K ، Hind برای H.influenza سویه d یا Sau 3A برای استافیلوکوک اورئوس 3A . عناصر خارج کروموزومی مانند ویروس یا پلاسمید به همین صورت متعاقب اسم مذکور آورده میشود مانند: EcoRI و EcoPI.
3- متعاقب آن بدون در نظر گرفتن فاصله ، اعداد رومانی (I,II,III,.....) برای تعیین آنزیم های مختلف که توسط همان سویه تولید میشوند مانند HindII و HindIII .
4- برای اختصاصی کردن R.ENase یا M.MTase حروف بزرگ R و M در جلو نشانه آنزیم قرار میگیرد و با یک نقطه از آن فاصله میگیرد مانند : R.EcoRI و M.EcoRI.
جدول شماره 6- کد اسید های نوکلئیک جایگاه شناسایی آنزیم ها ی محدود گر

اسید نوکلئیک	کد	اسید نوکلئیک	کد
A, C or T	H	G or A	R
A, C or G	V	C orT	Y
C, G or T	B	A or T	W
A, G or T	D	A or C	M
G, A, T or C	N	G or T	K
		C or G	S

جدول شماره 7- The Universal genetic code

Third position (3` end)	Second position				First position (5` end)
	G	A	C	U
U C A G	Cys Cys Stop Trp	Tyr Tyr Stop Stop	Ser Ser Ser Ser	Phe Phe Leu Leu	U
U C A G	Arg Arg Arg Arg	His His Gln Gln	Pro Pro Pro Pro	Leu Leu Leu Leu	C
U C A G	Ser Ser Arg Arg	Asn Asn Lys Lys	Thr Thr Thr Thr	Ilu Ilu Ilu Met	A
U C A G	Gly Gly Gly Gly	Asp Asp Glu Glu	Ala Ala Ala Ala	Val Val Val Val	G

AUG - رمز شروع کننده.
GUG - بندرت به عنوان رمز شروع کننده قرار میگیرد.
جدول شماره 8- حروف رمز اسید های آمینه

نام اسید آمینه	رمز یک حرفی	رمز سه حرفی	نام اسید آمینه	رمز یک خرفی	رمز سه حرفی
آلانین	A	Ala	لوسین	L	Leu
آرژنین	R	Arg	لیزین	K	Lys
آسپاراژین	N	Asn	متیونین	M	Met
آسپارتیک	D	Asp	فنیل آلانین	F	Phe
سیتئین	C	Cys	پرولین	P	Pro
گلوتامات	E	Glu	سرین	S	Ser
گلوتامین	Q	Gln	تره اونین	T	Thr
گلیسین	G	Gly	تریپتوفان	W	Trp
هیستیدین	H	His	تیروزین	Y	Tyr
ایزولوسین	I	Ile	والین	V	Val

جدول شماره 9- آنریمهای محدودگر و جایگاه شنایی آنها
atI AGG!CCT
AatII GACGT!C
AccI GT!MKAC
AccII CG!CG
AccIII T!CCGGA
AcyI GR!CGYC
AflI G!GWCC
AflII C!TTAAG
AflIII A!CRYGT
AhaI CC!SGG
AhaII GR!CGYC
AhaIII TTT!AAA
AluI AG!CT
AlwI GGATCNNNN!
AlwI !NNNNNGATCC
AlwNI CAGNNN!CTG
AocI CC!TNAGG
AocII GDGCH!C
AosI TGC!GCA
AosII GR!CGYC
ApaI GGGCC!C
ApaLI G!TGCAC
ApyI CC!WGG
AquI C!YCGRG
AseI AT!TAAT
Asp700I GAANN!NNTTC
Asp718I G!GTACC
AspI GACN!NNGTC
AsuI G!GNCC
AsuII TT!CGAA
AvaI C!YCGRG
AvaII G!GWCC
AvaIII ATGCA!T
AvrI CYCGRG
AvrII C!CTAGG
AxyI CC!TNAGG
BalI TGG!CCA
BamHI G!GATCC
BanI G!GYRCC
BanII GRGCY!C
BanIII AT!CGAT
BbeI GGCGC!C
BbiII/AcyI GR!CGYC
BbvI GCAGCNNNNNNNN!
BbvI !NNNNNNNNNNNNGCTGC
BbvII GAAGACNN!
BbvII !NNNNNNGTCTTC
BcefI ACGGCNNNNNNNNNNNN!
BcefI !NNNNNNNNNNNNNGCCGT
BclI T!GATCA
BcnI CC!SGG
BglI GCCNNNN!NGGC
BglII A!GATCT
BinI !NNNNNGATCC
BinI GGATCNNNN
BsmAI GTCTC
BsmAI GAGAC
BsmI GAATGCN!
BsmI G!CATTC
Bsp1286I GDGCH!C
BspHI T!CATGA
BspMI ACCTGCNNNN!
BspMI !NNNNNNNNGCAGGT
BspMII T!CCGGA
BsrI ACTGGN!
BsrI C!CAGT
BstBI TT!CGAA
BstEII G!GTNACC
BstI G!GATCC
BstNI CC!WGG
BstPI G!GTNACC
BstUI CG!CG
BstXI CCANNNNN!NTGG
BstYI R!GATCY
Bsu36I CC!TNAGG
CcrI C!TCGAG
CfoI GCG!C
Cfr10I R!CCGGY
Cfr13I G!GNCC
CfrI Y!GGCCR
ClaI AT!CGAT
CviJI RG!CY
CvnI CC!TNAGG
DdeI C!TNAG
DpnI GA!TC
DraI TTT!AAA
DraII RG!GNCCY
DraIII CACNNN!GTG
DsaI C!CRYGG
EaeI Y!GGCCR
EagI C!GGCCG
EarI CTCTTC
EarI GAAGAG
EclXI C!GGCCG
Eco105I TAC!GTA
Eco31I GGTCTCN
Eco31I !NNNNNGAGACC
Eco47I G!GWCC
Eco47III AGC!GCT
Eco52I C!GGCCG
Eco57I CTGAAG
Eco57I CTTCAG
Eco81I CC!TNAGG
EcoNI CCTNN!NNNAGG
EcoO109I RG!GNCCY
EcoRI G!AATTC
EcoRII !CCWGG
EcoRV GAT!ATC
EcoT14I C!CWWGG
EcoT22I ATGCA!T
EcoT38I GRGCY!C
EheI GGC!GCC
EspI GC!TNAGC
FinI GTCCC
FinI GGGAC
Fnu4HI GC!NGC
FokI GGATGNNNNNNNNN!
FokI !NNNNNNNNNNNNNCATCC
FspI TGC!GCA
GdiII !NNNNNYGGCCG
GdiII CGGCCRN!
GsuI CTCCAG
GsuI CTGGAG
HaeI WGG!CCW
HaeII RGCGC!Y
HaeIII GG!CC
HapII C!CGG
HgaI GACGCNNNNN!
HgaI !NNNNNNNNNNGCGTC
HgiAI GWGCW!C
HgiEII ACCNNNNNNGGT
HhaI GCG!C
Hin1I GR!CGYC
HinP1I G!CGC
HincII GTY!RAC
HindIII A!AGCTT
HinfI G!ANTC
HpaI GTT!AAC
HpaII C!CGG
HphI GGTGANNNNNNNN!
HphI !NNNNNNNTCACC
KpnI GGTAC!C
Ksp632I CTCTTCN!
Ksp632I !NNNNGAAGAG
MaeI C!TAG
MaeII A!CGT
MaeIII !GTNAC
MboI !GATC
MboII GAAGANNNNNNNN!
MboII !NNNNNNNTCTTC
MfeI CAATTG
MflI R!GATCY
MluI A!CGCGT
MmeI TCCRAC
MmeI GTYGGA
MnlI CCTCNNNNNNN!
MnlI !NNNNNNNGAGG
MroI T!CCGGA
MseI T!TAA
MspI C!CGG
MstI TGC!GCA
MstII CC!TNAGG
MvaI CC!WGG
NaeI GCC!GGC
NarI GG!CGCC
NciI CC!SGG
NcoI C!CATGG
NdeI CA!TATG
NdeII !GATC
NheI G!CTAGC
NlaIII CATG!
NlaIV GGN!NCC
NotI GC!GGCCGC
NruI TCG!CGA
NsiI ATGCA!T
Nsp(7524)I RCATG!Y
Nsp(7524)V TT!CGAA
NspBII CMG!CKG
NspII GDGCH!C
NspIII C!YCGRG
NspIV G!GNCC
NunII GG!CGCC
PaeR71 C!TCGAG
PalI GG!CC
PflMI CCANNNN!NTGG
PleI GAGTCNNNN!
PleI !NNNNNGACTC
PmaCI CAC!GTG
PpuMI RG!GWCCY
PstI CTGCA!G
PvuI CGAT!CG
PvuII CAG!CTG
RsaI GT!AC
RsrI G!AATTC
RsrII CG!GWCCG
SacI GAGCT!C
SacII CCGC!GG
SalI G!TCGAC
Sau3AI !GATC
Sau96I G!GNCC
SauI CC!TNAGG
ScaI AGT!ACT
ScrFI CC!NGG
SduI GDGCH!C
SecI C!CNNGG
SexI CTCGAG
SfaNI GCATCNNNNN!
SfaNI !NNNNNNNNNGATGC
SfiI GGCCNNNN!NGGCC
SinI G!GWCC
SmaI CCC!GGG
SnaBI TAC!GTA
SnaI GTATAC
SpeI A!CTAGT
SphI GCATG!C
SplI C!GTACG
SspI AAT!ATT
SstI GAGCT!C
SstII CCGC!GG
SstIII ACGT
StuI AGG!CCT
StyI C!CWWGG
StySJI GAGNNNNNNGTRC
StySJI GYACNNNNNNCTC
TaqI T!CGA
TaqII GACCGANNNNNNNNNNN!
TaqII !NNNNNNNNNTCGGTC
TaqII CACCCANNNNNNNNNNN!
TaqII !NNNNNNNNNTGGGTG
ThaI CG!CG
Tsp45I GTSAC
TspEI AATT
Tth111I GACN!NNGTC
Tth111II CAARCANNNNNNNNNNN!
Tth111II !NNNNNNNNNTGYTTG
TthHB8I T!CGA
VspI AT!TAAT
XbaI T!CTAGA
XcyI C!CCGGG
XhoI C!TCGAG
XhoII R!GATCY
XmaI C!CCGGG
XmaIII C!GGCCG
XmnI GAANN!NNTTC
XorII CGAT!CG
26- نشان دار کردن اسید های نوکلئیک
مقدمه: نشاندار کردن اسید های نوکلئیک تحول بزرگی در بیولوژی مولکولی ایجاد نمود. این تکنیک برای تایید کارهای مولکولی و همچنین غربالگری کلنی های باکتری حاوی پلاسمید نوترکیب ( هیبریداسیون ) استفاده مشود. انشاا…. در این کارگاه با روشهای نشاندار کردن اسید های نوکلئیک بصورت عملی آشنا خواهیم شد و روش هیبریدیزاسیون را عملا" انجام میدهیم. دراینجا مختصری از کارهایی که انجام خواهد شد توضیح داده میشود.

رو شهای نشاندار کردن آنزیماتیک‌ DNA :

Random - Primed Labeling
Nick Translation
سنتز پروب بکمک ‌ .PCR
در nick translation نوکلئوئیدهای‌ نشاندار نشده‌ با نوکلئوئیدهای‌ نشاندار شده‌ تعویض‌ میشوند) سنتزجابجایی.( در دو رو ش دیگر منجربه‌ سنتز DNA جدید می شود (Net synthesis)
27- Random - primed labeling
در هیبریدیزاسیون‌ علاوه‌ بر استفاده‌ از پروب های‌ نشاندار شده‌ با رادیوایزوتوپها ازگروههای‌ تغییر یافته ‌ غیر رادیواکتییو مانند بیوتین‌ یادیگوکسی ژنین‌ نیز استفاده میشود .این‌ رو ش در سال‌ 1984 و 1983توسط Feinberg و Vogelstein ابداع‌ گردید .نشاندارکردن‌ توسط آنزیم‌ klenow انجام‌ میشود که‌ قطعه‌ بزرگ DNA پلمیراز I اشرشیاکلی میباشد. Klenow فاقد فعالیت اگزونوکلئازی 5`  3` میباشد ولی برعکس‌ دارای‌ فعالیت اگزونوکلئازی 3`  5` میباشد. برای‌ نشاندار کردن‌ با روش Random - Priming اول‌ DNA دو رشته‌ای‌ )خطی( توسط حرارت دناتوره‌ شده‌ و سپس‌ روی‌ یخ سرد میشود تامانع رناتوراسیون DNA شده ویصورت ‌ زنجیره ها ی‌ تک‌ رشته‌‌ ای باقی بماند. Supercoiled DNA مقدار کمتری‌ نشاندار میشود چون‌ Reannealing رشته هاسریعتر انجام‌ میشود.بنا براین‌ مولکولهای‌ DNA حلقوی‌ باید قبل‌ از نشاندار شدن‌ بصورت خطی درآمده باشند تا عمل‌ Labeling به‌ مقدار زیاد انجام‌ گیرد.از قطعات کوچک‌ DNA هگزا نوکلئوتیدی با توالیهای‌متفاوت به‌ عنوان‌ پرایمر(آغازگر (برای‌ سنتز DNAبکمک یک‌ آنزیم‌ DNA پلیمراز استفاده‌میشود .مخلوط هگزانوکلئوتیدهابه‌ روش تصادفی – اتفاقی به‌ DNA دناتوره‌ شده‌ هدف‌ Anneal میشوند. این‌ الیگونوکلئوتیدهادر واکنش پلیمرازبعدی به عنوانprimer عمل‌ میکنند. سنتز پروب با اضافه‌ کردن‌ آنزیم‌ پلیمراز klenow و چهاردزوکسی نوکلئوتید تری فسفات(‌که حداقل‌ یکی ازآنها (dUTP) باهاپتن‌ نشاندارشده‌ است) شروع‌ میشود .چون‌ پرایمرها خاصیت تصادفی - اتفاقی دارند میتوانند به‌ همه ترادف‌ های‌ هدف‌ ا تصال‌ یابند . در اثنای‌ سنتزبه روش Random - primed هر دو زنجیره DNA ‌ )رشته‌های‌ مکمل‌ DNA هدف‌ (بعد از دناتوراسیون‌ به‌ عنوان‌ الگو عمل‌ میکنند .غلظت زیا'د پرایمر مانع‌ Reanealing دورشته‌ الگو با یکدیگر میشود.در این روش به علت عمل پرایمرهای کوتاه معمولا" رشته ‌ DNA نشاندار‌ کوتاهتر از DNA الگو می باشد .چون‌ هر دو رشته DNA اصلی به‌ عنوان‌ Template عمل‌ میکنند رشته های پروب نشاندار نیز‌ تا اندازه‌ای‌ مکمل‌ یکدیگر هستند، بطوری‌ که‌ قبل‌ از هیبریدیزاسیون‌ لازم‌ است دناتوره‌ شوند.از روش Random - primedبرای‌ نشاندار کردن‌ قطعات DNA به مقدار چند نانوگرم‌ تا چندین‌ میکروگرم‌ استفاده میشود .نشاندار شدن بعداز 30ـ60 دقیقه به‌ حداکثر میرسد و هنگام‌ انکوباسیون‌ طولانی ورود ماده‌ نشاندا ر به رشته ثابت است . حساسیت ها’پتن‌هایی مانند بیوتین‌ و Digoxigeninاز طریق‌ Random priming تا 100فمتوگرم‌ DNA مبباشد.
28- Nick translation
این‌ روش اولین‌ با ربرای‌ نشاندار کردن‌ پروب با را دیوایزوتوپ توسط Rigny در سال‌ 1977 ابداع‌ گردید. در این‌ روش عمل دو آنزیم‌ DNase I و DNA polymerase I اشرشیاکلی روی‌ DNAدو رشته‌ای‌ همزمان‌انجام میگیرد. DNase I یک‌ اندونوکلئاز اختصاصی هیدرولیز کننده‌ باند های ‌ فسفودی‌ استر رشته های ‌ DNA میباشد. این‌ عمل‌ منجربه‌ ایجاد الیگونوکلئوتیدهای‌ کوتاه حاوی 5` فسفات میشود. عمل آنزیم روی هر رشته DNA مستقیما و در حضور یون Mg2+انجام میگیرد و شکافهایی در DNAیک‌ رشته‌ای‌ بوچود می آورد که تعداد آنها به‌ غلظت Dnase Iدر مخلوط انکوباسیو ن بستگی دارد.این عمل‌ با غلظت پایین‌ Dnase I هم انجام میشود . در این‌ شرایط فقط-تعداد کمی Nick در هر زنجیر DNA به وجود میآید .آنزیم DNA Polymerase I دارای سه‌ فعا'لیت کاتا'لیتیک‌ مستقل‌ یعنی پلیمرازی 5` 3®` , اگزونوکلئازی 5`3® ` واگزونوکلئازی 3`® 5` میباشد..فعالیت نوکلئاز ی 5` 3®` آنزیم‌ باعث‌ حذف‌ دزوکسی نوکلئوتیدها از انتهای‌ 5` فسفات‌ میشود، با فعالیت پلیمرازی 5` 3® ` آن ، آنزیم‌ مذکوربطور همزمان‌ نوکلئوتیدتری‌ فسفاتها را به‌ انتهای‌ ‌ 3`-OH آ زاد شکاف (Nick) ا'ضافه‌ میکند .اگر دزکسی نوکلئوتید تری‌ فسفات های‌ همراه دزوکسی نوکلئوتیدتری‌ فسفاتهای‌تغییر یافته‌ با ها'پتن‌ در مخلوط واکنش با شند در اثنای‌ واکنش پلیمریزاسیون‌ هاپتن‌ وارد زنجیره‌ میشود .چون‌ عمل‌ DNA Polymerase I وابسته‌ به‌ DNA الگو است ترادف‌ نوکلئوتیدی‌ هنگام‌ Nick translation بدون تغییربا قی میماند.
29- نشاندار کردن‌ DNA توسطPCR
PCRیک‌ روش توانمند برای‌ سنتز پروبهای‌ DNA ( DNA بدون‌ وکتور (می'باشد این‌ روش در سال‌1984توسط مولیس‌ ابداع‌ گردید وبرای‌ کارهایی مانند تکثیر, , Cloning Sequencingو سنتز پروب بکار گرفته‌ شد .در این روش دو پرایمرحاوی دزوکسی نوکلئوتیدتری‌ فسفاتهای نشاندار شده‌ ‌ درپلیمریزاسیون‌ DNA شرکت میکنند PCR .توسط یک‌ DNA پلیمراز گرمادوست-مانند Taq انجام میشود .واکنش Amplification در30 سیکل‌ حرارتی در سه‌ مرحله‌ دناتوراسیون‌، Annealingو Extenssion انجام میگیرد.
30- هیبریدیزاسیون‌Hybridization
DNAدو رشته‌ای‌ محلول تحت تاثیر حرار ت دناتوره‌ میشود .اگر حرار ت در حدTm مولکول‌ DNA باشد دناتوراسیون‌ برگشت ناپذیر است یعنی رشته‌های‌DNA در محیط سرما جدا از یکدیگر‌ باقی میمانند Tm .یک‌ مولکول‌ DNA دو رشته‌ای‌ ایستایی DNA در حرارت می'باشد .(Function of the Thermal Stability) در یک‌ DNA هومولوگ‌ این‌ پدیده‌ انعکاس‌ نسبت با زها یعنی محتوای‌ G+C موجود در DNA میباشد. Cو Gبا سه‌ اتصال‌ هیدروژنی بهم‌ متصل‌ میشوند در حالیکه‌ Tو A با دو اتصال بهم‌ مربوط میشوند Tm .مولکول‌DNA تحت تاثیر قدرت یونی محیط (با افزایش یونهاTm بالا میرود(، حضور یونها(Mg+) ، پلی ساکاریدها, پرتئین‌ و حلال‌های‌ آلی (Formamide) قرار میگیرد .رشته‌های‌ DNA دو رشته‌ای‌ دناتوره‌ شده‌ در حرار ت کمتر از Tm خودبخودبهم‌ چسبیده‌ و نهایتابا DNA مکمل‌ خود یک‌ هیبرید پایدارتشکیل‌ میدهند بنا بر این‌ واکنش از کینتیک‌ ثانوی‌ (Second- Order Kinetics) تبعیت میکند. هیبریدیزاسیون‌ نیز شبیه‌ Tm تحت تاثیر فاکتورهایی مانند قدرت یونی و حلال‌های‌ آلی قرار میگیرد. اصطلاح‌ Stringency در این‌ مورد مفهوم‌ مهمی است اما همه‌ این‌ فا'کتورها )حرارت ، غلظت نمک‌، وجود حلالهای‌ آلی( را دربرنمیگیرد .در شرایط Stringency پایین‌ )نمک‌ زیاد و حرارت کم‌DNA ( های‌ با شباهت کمتر با همدیگر هیبرید میشوند .در صورتیکه‌ درStringency بالا) غلظت کم‌ نمک‌ و حرارت بالا در حضور فرمامید( Hybridization فقط بین‌ دو DNA باهومولوژی‌ با لا اتفاق‌ میافتد .در این‌ شرایط حرارت Hybridization30ـ20 درجه‌ پایین‌ تر از (melting temprature) tm است .برای‌ انجام‌ Hybridizationباید DNA هدف‌ را روی‌ یک‌ پشتیان‌ جامد منتقل‌ نمود تا DNA نشاندار (بصورت محلول‌) با DNA هدف‌ هیبرید تشکیل‌ دهند .در ساترن بلات DNA یا RNA روی ژل‌ آگارز الکتروفورز میشوند و سپس‌ روی‌ غشای نیتروسلولزیا نایلونی منتقل‌ میگردند .از مواد پشتیان ‌ کننده‌ دیگر مانند سلولز فعال‌، سفاکریل‌، پلی استیرن‌ یا بیدهای‌ مگنیتک‌ نیز میتوان‌ استفاده‌ نمود.
پارامترهای‌Hybridization
پایداری‌ هیبرید:
تشکیل‌ هیبریدهای‌ اسیدنوکلئیک‌ یک‌ پروسه‌ برگشت پذیر است . Tm عبارت است از حرارتی که‌ نصف‌ مولکولهای‌ DNA دوپلکس‌به‌ تک‌ رشته‌ تبدیل‌ میشوند و تحت تاثیرغلظت نمک‌ کاتیونهای‌ یک‌ ظرفیتی) مول بر لیتر (تعداد نوکلئوتیدهای‌ زنجیره‌، ترکیب'بازها ( که با G+C بیان‌ میشود (و غلظت عوامل‌ ناپایدار کننده‌ هلیکس‌ مانند Formamideقرار میگیرد.
کینتیک‌ هیبریدیزاسیون‌ پروبهای‌ تک‌ رشته‌ای‌: (Riboprobe)
میزان تشکیل‌ هیبرید برای‌ پروبهای تک‌ رشته‌ای‌ از کینتیک‌ اولیه‌ (First - Order Kinetics)تبعیت میکند زیرا تقریبا همیشه‌ غلظت پروب بیشتر از Target DNAاست ، بالاترین‌ میزان‌ هیبریدیزاسیون‌ در محلول ‌بصورت تجربی مشخص‌ میشود. درجه‌ Tm در دو پلکس‌ DNA- DNA 15 درجه‌ کمتر از دوپلکس‌RNA-DNA است. غلظت کاتیون‌ (M) تاثیر کمتری‌ روی‌ میزان‌ (Constant rate) ثابت هیبریدیزاسیون‌ DNA-DNAدارد .میزان‌ هیبریدیزاسیون تحت ثیر قدر ت یونی پایین‌ قرار میگیرد. هیبریدیزاسیون‌ در 1M NaCl هفت برابربیشتر از 0.18M NaCl انجام‌ میگیرد .کاهش غلظت نمک‌ در حد 0.09M NaCl تا 5 برابر میزان‌ هیبریدیزاسیون‌ را کاهش میدهد. تا ثیر نمک‌ روی‌ تشکیل‌ دوپلکس‌ RNA- DNA تا اندازه‌ای‌ با آنچه‌ ذکر شد اختلاف‌ دارد .در 0.1M NaC تشکیل‌ DNA-RNA همسنگ‌ DNA-DNA (Equivalent) است ولی در 1M NaCl میزان‌ تشکیل‌ دوبلکس‌ RNA-DNA دوبرابر 0.18M است.
کینیک‌ هیبریدیزاسیون‌ در پروبهای‌ دو رشته‌ای‌ (DNA)
در پروبهای‌ دو رشته‌ای‌ هیبریدیزاسیون‌ از کینتیک‌ ثانویه‌ (Second - Order Kinetics)تبعیت میکند. این‌ پروبهامی توانند بااسیدهای‌ نوکلئیک‌ ثابت شده‌ روی‌ فیلتر هیبرید شوند و یادر محلول‌ دوباره‌ Renature گردند. در نتیجه‌ هیبریدیزاسیون‌ 5 برابر آهسته تر از پروبهای‌ تک‌ رشته‌ای‌ انجام‌ میگیرد. پلیمرهای‌ دکستران‌ آنیونی) دکستران‌ سولفات 500) یاپلی اتیلن‌ گلیکول‌ 6000 اتصال‌ دو رشته‌ پرو ب را در محلول‌ به‌ همدیگرتشدید میکنند .دکستران‌ سولفات محلول‌ را از DNA خارج‌ میکند بنا براین‌ غلظت موثر DNA افزایش مییابد .اثر دکستران‌ سولفات برای‌ پلی نوکلئوئیدهای بیشتر از250bp مشهودتر است و روی‌ الیگونوکلئوئیدها تاثیری‌ ندارد. وقتی از پروبهای تک رشته ای استفاده میشودهیبریدیزاسیون تا سه برابر افزایش میابدو وقتی از Nick translated probe استفاده‌ شود تا 100برابر میشود .مولکول‌هایی که‌ از طریق‌ Nick translation نشاندار شده‌اند دکستران‌ سولفات تشکیل‌ شبکه‌ پروب (probe network)یا hyper polymer هاراتسریع‌ نمیکند وتاکید میشود که‌ تشکیل‌ چنین‌ شبکه‌هایی به اندازه‌ پرو ب بستگی دارد. خاطر نشان‌ میسازد که‌ اگر دکستران‌ سولفات در محیط نباشدbackground های‌ غیراختصاصی زیاد میشوند.

روش کار:

Labeling ( نشاندار کردن‌ DNA و RNA )
برای‌ نشاندار کردن‌ قطعه‌ DNA ( پروب) از کیتRandom Primed DNA Labeling شرکت Roch Molecular Biochemicals که‌ با سیستم‌ Digoxigenin (غیر رادیواکتیو) کار میکند استفاده‌ میشود. دیگوکسی ژنین‌ یک‌ هاپتن‌ استروئیدی‌ است که‌DNA ، RNAو الیگونوکلئوئیدها را جهتHybridization نشاندار میکند. و ظهور(Detection) آن‌ بصورت کالریمتری‌ انجام‌ میشود. برای‌ نشاندار کردن‌DNA ، دیگوکسی ژنین‌ از طریق‌ اتصال‌ استری‌ وارد dUTP میشود، اتصال‌ فوق‌ دربرابر قلیا (alkali) ناپایداربوده‌ و این‌ یک‌ امتیازی‌ است که‌ DIG - 11 - dUTP به‌ آسانی توسط قلیااز رشته‌ مکمل‌ روی‌ Filter ( کاغذ نیتروسلولز یا غشا’ نایلون) شسته‌ شده‌ و میتوان‌ دوباره‌ از فیلتربرای‌ هیبریدیزاسیون‌ با پرو ب دیگر استفاده‌ نمود.
ـ DNA را مد ت 10 دقیقه‌ در آ بجو ش قرار داده‌ دهید تا به ‌Single strand DNA تبدیل‌ شودوبلافاصله‌ان را روی‌ یخ حاوی‌ نمک‌ منتقل‌ کنید و مواد زیررا به آن‌ اضافه‌ نمایید.
ـ 2 میکرولیتر ازمخلوط هگزانوکلئوئیدها
- 2 میکرولیتر مخلوط.dNTP
- آب مقطر تا حجم‌ 19 میکرولیتر
- 1 میکرولیتر آنزیم‌ klenow
با دست به ته‌ لوله‌ ضربه بزنیدتا مواد داخل‌ لوله‌ مخلوط شوندو مختصری سانتریفوژکنید‌ (quick spin)
- مد ت 24 ساعت (O/N) در 37 درجه‌ قراردهید.
- واکنش رابا EDTA متوقف‌ کرده‌ وبرای‌ پرسیپیتاسیون Licl با غلظت نهائی 0.5 M به آن اضافه‌ کنید
-رسوب حاصل‌ را در 50 میکرولیتر بافر TE حل‌ کنید.
ـ برای‌ کنترل‌ Labeling یک‌ واکنش نیزبا DNA کنترل‌ موجود در کیت انجام‌ دهید.
بررسی کمی و کیفی پروب نشاندار شده:
از پروب نشاندار شده‌ رقت سریال‌( 10/1, 100/1, 1000/1) تهیه‌ کنید ( به‌ هر یک‌ از ویال‌ها 9 میکرولیتر آب اضافه‌ کرده‌ سپس‌ یک‌ میکرولیتر از پروب به‌ لوله‌ اول‌ اضافه‌ کرده‌ و خوب مخلوط کنید‌ و همینطور یک‌ میکرولیتر از لوله‌ اول به‌ لوله‌ دوم‌ منتقل‌ کنیدو……..) با انجام‌ Dot blotروی‌ نایلون‌ یا نیتروسلولز آنهارا ظاهر (detect) کنید‌.
- پس‌ از انجام‌ (dot) لکه‌گذاری‌ قبل‌ از اینکه‌ لکه‌ها'کاملا خشک‌ شوند توسطUV Crosslinker ( مقدار 12000 ژول‌ انرژی‌) آنها را روی‌ غشا ثابت کنید ( وقتی DNA در معرض‌ UV قرار گیرد تیمین‌ موجود در آن‌ با گروههای‌ آمین‌ روی‌ سطح‌ نایلون cross-link میشوند .
- نایلون را مدت 10 دقیقه‌ دربا فر I قرار دهید. غشا را مدت 1 ساعت دربا فر II قرار دهید تا فیلتر block شود( جاهائیکه‌ DNA وجود ندارد توسط BSA پوشیده (block) میشود تا آنتی بادی ‌ نتواند روی‌ غشا بچسبد)
- غشا را مدت 20 دقیقه‌ در Anti Dig بارقت 5000/1 قرار دهید.
- غشا را چند دفعه با بافر I شستشو داده‌ تا آنتی با دی‌های‌ متصل‌ نشده از روی‌ فیلتر حذف‌ شوند.
- غشا را بابافر III شستشو دهید
- لکه‌های روی غشا را با (Nitro Blue Tetrazolium (NBT و (Bromo Chloro Indolyl Phosphate (BCIP ظاهر کنید
ـ با مقایسه‌ رنگ‌ لکه‌ها بارنگ‌ لکه‌ DNA کنترل‌ نشاندار شده‌ موجود در کیت مقدار پروب نشاندار شده‌ را محاسبه‌ کنید). هر میکروگرم‌ DNA کنترل‌ حاوی‌ ... نانوگرم‌ DNA نشاندار شده‌ میباشد.

تهیه Riboprobe

ریبوپروب هااز رونویسی اختصاصی یکی از پروموتورهای‌T7 ، T3 یا SP6 که‌ در نزدیک‌ DNA کلون‌ شده‌ در یک‌ Vector مناسب قرار دارند تهیه‌ میشوند. معمولا از پلاسمید Bluescriptکه‌ پروموتورهای‌ T3 و T7 در دو طرف‌ MCS آن‌ قرار دارند استفاده‌ میشود(قطعه پروب باید ‌ در پلاسمید Bluescript.sk کلون شده باشد).برای‌تهیه‌ Riboprobe پلاسمید نوترکیب را توسط یک‌ Restriction.Enzyme مناسب برش داده تا بصورت خطی دربیآید وبرحسب اینکه‌ قطعه‌ کلون‌ شده در Down stream کدامیک‌ از پروموتورها قرار گرفته باشد پروموتوررا توسط RNA polymerase اختصاصی آن فعال‌ کنید تا از قطعه‌ DNA کلون‌ شده‌ در پلاسمید از طریق‌ RUN off Synthesis در لوله‌ آزمایش RNA سنتز‌ شود.برای تهیه ریبوپروب از کیت (RNA Labeling and Detection Kit)شرکت Roch Molecular Biochemicals استفاده‌ میشود. این‌ کیت از طریق‌ Run Off Synthesisاز DNA معینی که‌ در پلاسمید مخصوصی کلون‌ شده‌ است (الگو) RNA سنتز میکند. به ازای هر25- 20 نوکلئوتید یک‌ مولکول Digoxigenin–11–UTP وارد رشته‌ میشود .چون‌ برای‌ سنتز محدودیتی وجود ندارد مقدار زیادی‌ RNA ساخته‌ میشود .در شرایط استاندارد از هر یک‌ میکروگرم‌ DNA در حدود 10 میکروگرم‌ RNA رونویسی میشود. Riboprobe هایی که‌ با این‌ روش سنتز میشوند دارای‌ خواص‌ زیر هستند:
ـ دارای‌ طول‌ معینی بوده‌ و اختصاصی وتک‌ رشته‌ای‌ می با شند.
شبیه‌ DNA probe ها به یکدیگر متصل‌ نمیشوند.
ـ اتصال‌ Dig به‌ UTP نسبت به‌ NaOH مقاوم‌ میباشد.

رو ش کار:

ـ مقدار 2ـ1 میکروگرم‌ DNA راتوسط Resteriction Enzyne مناسب هضم‌ (digest) کنید.
ـ بعد از اتمام‌ واکنش آن‌ را P.C.I extroction کرده‌ سپس‌ با الکل‌ رسوب دهید.(هرگزازRNase استفاده‌ نکنید).
-2 میکرولیتر NTP به واکنش اضافه‌ کنید.
- 2 میکرولیتر 10X Transcription Buffer به آن‌ا ضافه‌ کنید.
ـ 1 میکرولیتر ((T3, T7) RNA ploymerase به آن‌ اضافه‌ کنید.
- حجم‌ واکنش را با آب مقطربه 20 میکرولیتر برسانید.
-1 میکرولیتر RNasin ( مهار کننده‌ RNase ) به واکنش اضافه‌ کنید‌ تااز‌ فعالیت RNase احتمالی درواکنش جلوگیری کند.
- لوله‌ را مختصری‌ سانتریفیوژ (quick spin) نموده‌ و 2ـ1 ساعت در 37 درجه‌ قرار دهید.
- واکنش رابا EDTA متوقف‌ نموده‌ وبرای‌ رسوب دادن‌ RNA ازLiCl باغلظت نهائی 0.5M استفاده‌ کنید.
- بعد از شستشو با الکل‌ 70، رسوب را در 100 میکرولیترDEPC treated water حل‌ کنید.
- مقدار 1 میکرولیتر RNasin به آن‌ اضافه‌ کرده‌ و 30 دقیقه‌ در 37 درجه‌ انکوبه کنید.
- کمیت پروب تولید شده‌ شبیه‌ DNA probe تعیین میشود ‌ فقط برای‌ تهیه بافر II ازDEPC treated water استفاده‌ شود
- از RNA نشاندار شده‌ موجود در کیت برای‌ مقایسه‌ پروبها استفاده‌ کنید.

Hybridization

دراین کارگاه برای‌ هیبرید یزاسیون‌ از دو روش Dot blot hybridization وSouthern blot hybridization استفاده‌ میکنیم.

روش دات بلات

ـ از DNA ( قطعات DNAکلون‌ شده‌ ) رقت سریال‌ تهیه‌ کنید و روی‌Nylon membrane لکه‌گذاری‌ انجام‌ دهید( Dot bloting).
- مدت 5 دقیقه‌ غشانایلونی را در محلول‌ Denaturing قرار دهید تا DNA دناتوره‌ شود.
( لازم به ذکر است که‌ نایلون‌ نباید در محلول‌ شناور شود بلکه باید ته‌ ظرف یا سینی یک‌ لایه‌ کاغذ خشک‌ کن‌ قرار داده‌ شود سپس‌ محلول‌ را روی‌ کاغذ ریخته‌ بطوری‌ که‌ فقط کاغذ خیس‌ شود وسپس‌ نایلون‌ را روی‌ آن‌ قرار دهید.
ـ 5 دقیقه‌ غشارا مانند مرحله‌ قبل‌ در محلول‌ Neutralizing قرار دهید تا.غشا خنثی شده‌ و از شکنندگی آن‌ جلوگیری‌ شود.
- غشا را روی‌ کاغذ خشک‌ کن‌ قرار داده‌ و هنگا میکه‌ هنوز مرطوب است DNA را باUV Cross Linker روی أن ثابت کنید.
ـ غشا در این‌ مرحله‌ آماده‌ است هم‌ میتوان‌ برای‌ مدتی آن‌ را نگهداری‌ نمود و هم‌ میتوان‌ پروسه‌ Hybridization را دنبال‌ نمود.

روش ساترن بلات

DNA را با آنزیم‌های‌ Restriction مناسب هضم‌ کنید و سپس‌ آن‌ راالکتروفورز نمایید. ظرفیت اتصال ‌ اسیدهای‌ نوکلئیک‌ به‌ غشا نایلونی 500 میکروگرم‌ در هر سانتیمترمربع‌ میباشد وبرای‌ فیلتر نیتروسلولوز صد میکرو گرم‌ در هر سانتیمتر مربع‌ است .
ـ وقتی الکتروفورز انجام‌ شد ‌ ژل‌ رابا UV مشاهده‌ کرده‌ وبرای‌ جلوگیری‌ از اصراف‌ مواد قسمتهائی از ژل‌ را که‌ مورد استفاده‌ نیست حذف‌ کند( ژل را‌ Trim کنید) .
- گوشه‌( یکی از گوشه‌ها ) ژل‌ را علامت گذاری‌ کرده‌ و سپس‌ 90 دقیقه‌ در حرارت اتاق‌ آن‌ را داخل‌ محلول‌ Denaturing دوران‌ دهید تا‌ DNA دناتوره‌ شود (0.4N NaOH) البته‌ DNA های‌ سنگین تراز15kb را باید با محلول0.25 M اسید کلریدریک‌ Depurinate نمود تا بتوانند از ژل‌ روی‌ غشا منتقل‌ شوند (این کار همراه باshaking انجام شود).
-واکنش را 20 دقیقه‌ در حرارت اتاق‌ در محلول‌ Neutratizing قرار دهید ( همراه باshakingانجام گیرد).
- غشا (Nylon membrane) رابه اندازه‌ ژل بریده‌ و گوشه‌ آن‌ را مانند ژل‌ علامت گذاری‌ کرده‌ و سپس‌ در آب دیونیزه‌ آن‌ را خیس‌ کنید.( 98).
- بعد از آماده‌ کردن‌ تا نک انتقال ‌ (Transfer Tank) یک‌ قطعه‌ کاغذ صافی روی‌ سینی تا نک‌ قرار دهید.
- کاغذ صافی را حتما" بابافرتا نک‌ خیس‌ کنید که‌ حباب هوا در آن‌ قرار نگیرد .
- ‌ یک‌ لایه‌ کاغذ واتمن‌3MM روی‌ آن‌ قرار دهید بطوری‌ که‌ دو سر کاغذ دربا فرتا نک‌ قرار گیرد.
- ژل‌ رابصورت وارونه‌( نسبت به‌ موقعی که‌ الکتروفورز میشود ) روی‌ کاغذ واتمن‌ قرار داده بطوری‌ که‌ زیر ژل‌ حباب هوا قرار نگیرد.
- نایلون‌ آماده‌ شده‌ را روی‌ ژل‌ قرار دهید بطوریکه‌ هوا زیر آن‌ نفوذ نکند.
ـ یک‌ لایه‌ کاغذ واتمن‌ روی‌ فیلتر قرار دهید.
- اطراف‌ آن‌ را با پارافیلم‌ خوب بپوشانید.
ـ یک‌ لایه‌ کاغذ صافی و سپس‌ چندین‌ لایه‌ کاغذ خشک‌ کن‌ روی‌ آن‌ قرار دهید بطوری‌ که‌ مایع‌ را جذب کند.
- یک‌ صفحه شیشه ای‌ روی‌ آن‌ قرار دهیدویک وزنه‌ 500 گرمی روی‌ شیشه مستقرکنید.
- اطراف تا نک‌ را با نایلون‌ بپوشانید‌ که‌ تبا دل‌ هوا با خارج‌ انجام‌ نگیرد واز تبخیربافرتا نک‌ ممانعت نماید.
- برای بافرتا نک‌ از محلول‌ 0.4N NaOH استفاده کنید زیرا برای‌ Nylon بهتر از کاغذ نیتروسلولز میباشدو موجب دناتوره‌ شدن‌ و ثابت شدن‌ DNA روی‌ نایلون‌ میشود.
- مدت 24 ـ4 ساعت در هوای‌ اتاق‌ قرار دهید.
- نایلون‌ را خارج‌ کرده‌ و با 2X SSC بشوئید تا ذرات ژل‌ ازروی آن‌ حذف‌ شوند.
- وقتی نایلون هنوز نمدار است DNA را با دستگاه UV crosslinker روی آن‌ ثابت کنید.
Pre hybridization ( دات بلات یا'ساترن‌ بلات )
ـ غشارا داخل‌ کیسه‌ پلاستیکی (Hybridization bag) قرارداده‌ ومقدار 20ml/100cm2 محلول‌ Prehybridization داخل‌ کیسه‌ ریخته‌ و سپس‌ آن‌ را خوب درز گیری‌ کنید بطوری‌که‌ مایع‌ از آن‌ نفوذ نکند( seal شود).
ـ مدت 2- 5/1 ساعت در 42 درجه‌ قراردهید( برای‌ ریبوپروب حرارت 50 درجه‌ درنظرگرفته شود )
ـ پروب را مدت 5 دقیقه‌ درآب جوش قرار داده‌ تا دناتوره‌ شود
- بلافاصله‌ روی‌ یخ حاوی‌ نمک‌ قرار دهید.
ـ یکی از گوشه‌ های‌ کیسه‌ پلاستیکی حاوی‌ nylon را بریده‌ و آن‌ را روی‌ کاغذ خشک‌کن‌ قرار داده‌ و با چرخانیدن‌ یک‌ مداد یا میله‌ شیشه‌ای‌ گرد روی‌ آن‌ , محلول‌ Prehyridization را از آن‌ خارج‌ کنید.
- مقدار 2.5ml/100cm2 پروب مخلوط شده‌ با محلول‌ Hybridization وارد کیسه‌ کنید.
- هوای‌ آن‌ را خارج‌ کرده‌ دوباره‌ آن‌ را seal کنید.
- مدت یک‌ شب آن را در 42 درجه‌ قرار دهید. ( برای‌ ریبوپروب 50.درجه‌).

Post hybridization

- نایلون‌ را از کیسه‌ خارج‌ کنید.
- مدت 5 دقیقه‌ بامحلول2XSSC , 1% SDS همراه‌ shaking در حرارت اطاق‌ نایلون را بشوئید.
- مدت 15 دقیقه‌ بامحلول 2XSSC , 1% SDS آن را یشوئید (RT)
- مدت 30 دقیقه‌ بامحلول 2XSSC , 1% SDS در65 درجه‌ شستشو دهید.
- Detection آن‌ شبیه‌ پروب انجام‌ میگیرد.
هیبریدیزاسیون با Riboprobe
- مراحل‌ Dot blot یا Southern blot شبیه‌ DNA پروب انجام‌ میگیرد.
ـ دمای‌ Hybridization را 50 درجه‌ درنظربگیرید.
– بهتر است پروب (RNA) را هنگام‌ استفاده مدت ‌ 5 دقیقه‌ در آب جوش قرار دهید تا چنانچه‌ RNAدایره‌ (Loop) تشکیل‌ داده‌ است باز شود.
ـ مراحل‌ شستشو و Detection نیز شبیه‌ DNA انجام‌ میگیرد.
ـ باید دقت نمود که‌ حین‌ پروسه‌ کار Rnase وارد محیط نشود وازتما'س‌ دست یا با وسایل‌ کار و نمونه‌ خودداری‌ شود.
- حتما" از دستکش استفاده‌ کنید
- وسایل‌ شیشه‌ای‌، تیپها و محلول‌هارا با ید از آلوده‌ شدن‌ با RNase محافظت نمود.
- موادووسایل‌ کاربا RNA باید از وسایل‌ و مواد دیگر جداباشند. وسایل‌ شیشه‌ای ‌بعد از شستشوبا ید در محلول‌ 1/0درصدDEPC شناور شوند و سپس‌ اتوکلاو گردند وبعد از آن‌بمدت 3 ساعت در250 درجه‌ قرار گیرند.
تیپها ، لوله‌های‌ سانتریفیوژ و لوله‌های‌ فالکن‌ فاقد RNase میباشند ولی با یداتوکلاو شوند.
DEPCماده‌ مهار کننده‌ غیر اختصاصی ریبونوکلئاز میباشد که‌ با آدنین‌ موجود درRNA واکنش میدهد.

تهیه‌Deionized formamide

یکی از مشکلات در Riboprobe hybridization تجزیه‌ شدن‌ RNA توسط آلوده‌ کننده‌ها ی‌ موجود در Formamide میباشد برای‌ جلوگیری‌ از این‌ عمل‌ با ید فرمامید دیونیزه‌ شود.

روش کار:

- برای‌ دیونیزه‌ کردن‌ فرمامید احتیاج‌ به‌ رزین‌ (lonexchanger) میباشد .از کاتیون‌ (Carboxymethyl) و آنیون‌ (Diethylaminoethyl) DEAE استفاده‌ میشود.
- کاتیون‌ و آنیون‌( از هر کدام‌ 5 گرم) جداگا نه‌ بایک‌ لیترآب Equilibrate میشوند. بعد از مخلوط شدن‌ محلول‌ ابری‌ مانند تشکیل‌ میگردد .این‌ محلول‌ را با دستگاه‌ فیلتراسیون در خلا فیلتر( کاغذ صافی واتمن‌ ) کرده تا آب رزین‌ خارج‌ شده‌ و رزین‌ روی‌ فیلتربا قی بماند و خشک‌ شود سپس‌ با یک‌ لیتر فرمامید 30 دقیقه‌ روی‌ همزن‌ میچرخد تا خوب مخلوط شود .محلول‌ دو باره‌ با دستگاه‌ فیلتراسیون‌ درخلا با کاغذ صافی واتمن‌ فیلتر میشود بطوری‌ که‌ یک‌ محلول‌ صاف‌ تشکیل‌ میگردد.این‌ محلول‌ Deionized Formamideدر یخچال‌ نگهداری‌ میشود.

طرزتهیه بافرها:

الف ) بافرهای‌ Detection (ظهور) :
1- بافرI:
Tris (PH:7.5) 100mM
NaCl 500mM
2- بافرII :
(1-3% BSA (blocking reagent که در بافر I 65درجه حرارت داه میشود تا حل شود
3- بافر III:
Tris (pH:9.5) 100mM
NaCl 100mM
MgCl2 50mM
ب) بافرهای Hybridization :
1- بافر Pre hybridization:
Deionized formamide 50%
SSC 5X
Denhardts 5X
hosphate buffer 50mM
SS DNA 125mg/ml
2- بافر Hybridization :
Deionized formamide 50%
SSC 5X
Denhardts 1X
Phosphat buffer 20mM
SS DNA 25mg/ml
Dextran sulfate 10%
3- محلول Denhardts :
BSA 1%
Ficoll 1%
Polyvinyl pyrolidone 1%
4- با فر 20X SSC :
NaCl 3M
Na Citrate 3M
pH: 7
منبع:http://www.iranbiotech.com

شبیه‏سازى از دیدگاه فقه

شبیه‏سازى از دیدگاه فقه
الف) دیدگاه علماى شیعه

مراجع عظام فعلى، شبیه‏سازى حیوانات را بالاتفاق جایز مى‏دانند ولى در مورد شبیه‏سازى انسانها آراى مختلفى دارند. ابتدا سؤال و جواب علما در مورد شبیه‏سازى حیوان را نقل مى‏کنیم.
مراجع عظام در پاسخ به سؤال «آیا مشابه‏سازى حیوان زنده توسط تکثیر سلولهاى وى (کلوناژ) جایز است؟ (سلولى از حیوان زنده اخذ مى‏شود و با تکثیر آن سلول، از طریق اطلاعات DNA، حیوانى با همان خصوصیات قبلى ایجاد مى‏کنند.)» چنین جواب دادند:
آیت‏الله خامنه‏اى: این کار فى نفسه اشکال ندارد.
آیت‏الله فاضل لنکرانى: دلیلى بر حرمت این عمل بر حسب عنوان اولى به نظر نرسیده است؛ گرچه بر حسب عناوین ثانویه اشکال دارد.
آیت‏الله بهجت: ظاهرا اشکالى به نظر نمى‏رسد.
آیت‏الله نورى همدانى: در غیر انسان جایز است.
آیت‏الله مکارم شیرازى: این کار در مورد حیوانات اشکالى ندارد ولى در مورد انسان جایز نیست.
آیت‌الله مکارم: عمل شبیه سازی انسان از نظر شرعی خالی از اشکال نیست .
یک مرجع تقلید شیعیان تغییر جنسیت و ظاهر ساختن جنسیت واقعى را در صورت استفاده از مقدمات مشروع جایز اعلام کرد.
آیت‌الله مکارم شیرازی در پاسخ به استفتایی مبنی بر اینکه تغییر جنسیت چه حکمى دارد؟ نوشت: «تغییر جنسیت و ظاهر ساختن جنسیت واقعى ذاتاً خلاف شرع نیست، ولى باید از مقدمات مشروع استفاده شود. یعنى نظر و لمس حرام در آن نباشد، مگر اینکه به حد ضرورت برسد.»
از این مرجع تقلید شیعیان سوال شده است: لطفاً در مورد شبیه سازی انسان و کلاً شبیه سازی توضیح دهید و بفرمایید چرا اشکال دارد؟ ادله فقهی چه می باشد؟ مکارم شیرازی در این زمینه پاسخ می‌دهد: «این عمل از نظر شرعی خالی از اشکال نیست و مفاسد زیادی بر آن مترتب می‌شود. به همین جهت حتی افرادی که پایبند به دین و شریعتی نیستند، به خاطر مفاسد اجتماعی آن به مخالفت با آن پرداخته‌اند.»
آیت‏الله سیستانى: مانعى ندارد.
آیت‏الله صافى گلپایگانى: اگر مستلزم خلاف شرع نباشد بنفسه اشکال ندارد.
آیت‏الله موسوى اردبیلى: دلیل قانع‏کننده‏اى بر حرمت چنین تحقیقات و آزمایشاتى وجود ندارد.
آیت‏الله صانعى: شبیه‏سازى حیوانات مانعى ندارد ولى نسبت به انسان حرام و معصیت و غیرجایز است.
اما در مورد شبیه‏سازى انسان، علما در پاسخ به سؤال «آیا مشابه‏سازى و تکثیر انسان در آزمایشگاه و از طریق روشهاى پیشرفته علمى (کلوناژ) جایز است؟ (گرفتن سلول انسان و ایجاد انسانى با همان خصوصیات قبلى)» چنین جواب دادند:
آیت‏الله فاضل لنکرانى: به عنوان اولى اشکال ندارد لکن اگر مفاسدى بر آن مترتب شود، به عنوان ثانوى جایز نیست.
آیت‏الله تبریزى: جایز نیست.
آیت‏الله مکارم شیرازى: این کار جایز نیست و مفاسد زیادى دارد و اطلاعاتى که اخیرا منتشر شده، نشان مى‏دهد که کسانى که از طریق شبیه‏سازى به وجود مى‏آیند، در معرض ناهنجاریهاى جسمى شدیدى هستند مانند کمبود کلیه‏ها و نیمى از مغز و امثال آن.
آیت‏الله سیستانى: فى حد ذاته مانعى ندارد.
آیت‏الله موسوى اردبیلى: گرچه شبیه‏سازى در مورد انسان تاکنون بر مرحله عمل نرسیده است و لکن دلیل قوى و محکمى بر حرمت چنین تحقیقات و آزمایشاتى وجود ندارد.
آیت‏الله نورى همدانى: تحقق این عمل معلوم نیست که ممکن باشد و در صورت امکان، اگر با موازین اسلامى مخالف نباشد، اشکال ندارد.
مسائل دیگرى نیز از محضر این بزرگان پرسیده شد: «از آنجا که در قرن بیستم شاهد رشد حیرت‏آور فناورى؛ خصوصا پیشرفتهایى در علم پزشکى حاصل شده است و یکى از آنها برآیندهاى مهم نوین، مهندسى ژنتیک و بدل سازى انسان (کلوناژ) مى‏باشد که در علم وراثت مسائل مبهم و پیچیده‏اى پیدا شده است بفرمایید:
الف) اگر سلول جنسى در سردخانه براى مثلاً صد سال یا بیش از آن زنده نگاه داشته شود، سپس در رحم زنى کاشته و رویانده شود، آیا طفل ناشى از این سلول پس از رشد و نمو و بلوغ مى‏تواند از بستگان و خویشان خود مطالبه ارث نماید؟
ب) ممکن است با فناورى بدل‏سازى (کلوناژ)، چند نفر نسخه بدل یک اصل باشند. در صورتى که جرمى ارتکاب شود از راه‏هاى اثر انگشت یا دیگر آثار جسمى یا علم قاضى اثبات شود یکى از این افراد (اصل و فروع) مرتکب جرمند، کدام نسخه محاکمه و مجازات خواهد شد؟
ج) در صورتى که دختر باکره‏اى با بهره‏گیرى از فناورى بدل‏سازى (کلوناژ) داراى فرزندى از سلول جنینى خود شود، در این فرض آیا حامله شدن وى مشروع است؟ آیا فرزند به دنیا آمده نسخه بدل اوست یا همسانش یا دخترش؟
د) اگر خانواده‏اى نسخه‏اى از فرزندشان را در سردخانه نگهدارى کردند و پس از مرگ فرزندشان با فناورى بدل‏سازى (کلوناژ) نسخه بدل وى را در رحم مادر کاشتند و رویاندند، در این صورت آیا آفرینش انسانى براى هدفى که به خاطر او مربوط نیست و نفعى نمى‏رساند، جایز است؟
ه) در صورتى که فناورى بدل‏سازى (کلوناژ) به قدرى رشد کند که مادران بتوانند با مشاهده فرجام فرزند پس از چند سال به کاتالوگهاى مختلف مراجعه و جنین را گزینش کنند (طفل سالیان رشد مى‏کند ولى نسخه‏هاى دست نخورده‏اش در سردخانه محفوظ مانده است.) چنین باردارى شرعا چه حکمى دارد؟»
جواب مراجع به این سؤالها، به شرح زیر است:
آیت‏الله مکارم شیرازى: الف) چنین نوزادى از کسى ارث نمى‏برد. ب) دیه در میان آنها تقسیم مى‏شود. ج تا ه) این عمل از نظر شرعى خالى از اشکال نیست و مفاسد زیادى بر آن مترتب مى‏شود. به همین جهت، حتى افرادى که پایبند به دین و شریعت نیستند، به خاطر مفاسد اجتماعى آن به مخالفت با آن پرداخته‏اند.
آیت‏الله صافى گلپایگانى: این موضوعات ظاهرا هنوز هم در دست تحقیق و تجربه است. اگر چه جواب على الفرض ممکن است ولى اولى این است که پس از تحقیق و تحقق کامل موضوع در خارج و ابتلا به آن، حکم آنها مورد سؤال واقع شود.
آیت‏الله بهجت: الف) وراثت نیست. ب) مثل سایر موارد اقامه بینه بر غیر واحد و همچنین اقرار یا علم اجمالى است در احکام قصاص و دیه. ج) مانعى ندارد و به ولد اشبه است. د) مانعى ندارد. ه) از حیث تکلیف، منعى بر آن ثابت نیست و از حیث صحت معامله، به نظایر آن مراجعه مى‏شود.
آیت‏الله سیستانى: الف) چنانچه تولد از منى شخص مذکور باشد، آن شخص پدر او محسوب مى‏شود و بستگان پدر، بستگان فرزند مى‏شوند. ب) در صورتى که مشخص نشود، هیچ کدام مجازات نمى‏شوند. ج) مانعى ندارد. د) مانعى ندارد. ه) اشکالى ندارد.
همچنین آیة‏الله معرفت شبیه‏سازى انسان را فى نفسه حرام نمى‏داند ولى به حکم ثانوى، به دلیل پیامدهاى منفى آن را حرام مى‏شمرد. همچنین آیت الله موسوى تبریزى و آیت‏الله موسوى بجنوردى شبیه‏سازى انسان را از نظر شرعى بلا مانع مى‏دانند. آیت‏الله سید محمدحسین فضل‏الله اصل شبیه‏سازى انسان را جایز مى‏داند و آن را «خلقت از عدم» نمى‏شمرد و نشانه‏اى بر قدرت انسان در کشف قوانین و نظامهایى مى‏داند که خداوند در عالم خلقت گذاشته‏اند. البته ایشان هم، تکثیر و رواج مسأله را جایز نمى‏داند و نیز در مورد این که جنین شبیه‏سازى شده را به قتل برسانند تا از اعضاى آن استفاده کنند حکم به حرمت داده است.
بر طبق آنچه نقل کردیم، اکثر علماى اسلامى اصل شبیه‏سازى انسان را جایز مى‏دانند ولى به حکم ثانوى به دلیل مفاسدى که در پى دارد جایز نمى‏شمرند.
آیت الله بجنوردی : همانند سازی در اسلام حرام نیست
کلونینگ (همانند سازی) در شریعت اسلام جایز و حلال است .
" آیت الله بجنوردی " - یکی ازمجتهدین - در بررسی همانند سازی از منظر فقه امامیه گفت : کلیه ادیان الهی از جمله دین اسلام مخالفتی با پیشرفت علم و جوامع بشری ندارند و چون عقل ، فطرت و اندیشه موهبتی است که ذات باریتعالی در اختیار انسانها گذاشته است نمی توان با پیشرفت علم مخالفت کرد.
وی افزود : خصوصیت فقه امامیه شیعه در این است که همواره باب اجتهاد در آن باز بوده ، یقینا" عنصر زمان و مکان می تواند در کیفیت برداشت و استنباط فقهای شیعه و مجتهدان تاثیر داشته باشد . از سوی دیگر احکام ادیان همواره در راستای حکم عقلا است و اینطور نیست که شریعت بخواهد مساله ای را به علم و عالمان تحمیل کند.
آیت الله بجنوردی گفت : یکی از مسائل مطرح شده در جامعه بحث کلونینگ و همانند سازی است که نظریات ( فتواهای ) مختلفی هم در جایزبودن و یا حرام بودن آن صادر شده است.
وی افزود : شبیه سازی به مفهوم تولید یک انسان بدون انجام عمل لقاح است و در این عمل با وجودی که کلون شبیه والدی می شود که ماده ژنتیکی خود را از او به ارث برده است اما از لحاظ روحی و جسمی تفاوت هایی باوالد خواهد داشت. همانطور که دوقلوهای همسان ماده ژنتیکی مشترکی دارند ،‌ اثر انگشت متفاوتی دارند و شخصیت های مجزایی محسوب می شوند. البته تفاوت کلون با والدش بیشتر از تفاوت دوقلوهای همسان خواهد بود چون دوقلوهای همسان در یک زمان و در یک رحم پرورش می یابند ولی کلون در رحمی جدا از رحم والدش تکامل می یابد.
آیت الله بجنوردی گفت : طبق قاعده اصالة الحل ، همه چیز در اسلام حلال است مگر در مواردی که قانونگذار بخواهد مسئله ای را بطور خاص، حرام اعلام کند و هیچ عنوانی در شریعت مبنی بر حرام بودن کلونینگ وجود ندارد. هر چند ممکن است استفاده های سوئی از این علم صورت گیرد ولی فعلا" بحث بر سرحلال و جایز بودن همانند سازی است.
برخی معتقدند این امر خلاف آفرینش الهی است در صورتی که معنای خلقت این نیست که حتما" از طریق ترکیب اسپرم و تخمک ، نوزاد بوجود آید و مساله دیگر اینست که انسان دارای دو حیات است : حیات حیوانی و حیات انسانی . کلونینگ فقط مقتضیات حیات حیوانی انسان را فراهم می کند و تازمانی که روح در نطفه دمیده نشود ، موجودیت نمی یابد و حتی با انجام شبیه سازی هم ، باز خالق خداوند است.
عده ای معتقدند با افزایش همانند سازی ، مفسده هایی متوجه این افراد می شود و ممکن است عده ای بخواهند به تجارت اعضای بدن انسان روی بیاورند که آن را جایز نمی دانم ، چون اسلام شخصیت هر فردی را محترم می شمارد و نمی توان انسانی را برای نجات انسان دیگری از بین برد و این امر قتل نفس محسوب می شود . البته اهدای اعضای افراد را در صورتی که مرگ مغزی ثابت شود جایز می شمارم.
آیت الله بجنوردی در پاسخ به سوال مبنی بر به خطرافتادن بنیان خانواده در صورت گسترش همانند سازی گفت :‌همانند سازی را در مورد افراد معمولی جایز نمی شمارم ولی افرادی که نمی توانند بچه دار شوند می توانند از طریق این علم صاحب فرزند شوند و همانند سازی را در این مورد حلال می دانم.

ب) فتاواى علماى اهل سنت‏

1. شیخ قرضاوى - مفتى مصرى مقیم قطر - در پاسخ به سؤالى در مورد حکم شبیه‏سازى حیوانات مى‏گوید؛ شبیه‏سازى حیوانات با رعایت شرایطى جایز است:
اولاً در آن مصلحت حقیقى براى انسان باشد ثانیاً ضرر و فسادى بزرگتر گریبان‏گیر انسان و جوامع انسانى نشود زیرا اکنون براى دانشمندان ثابت شده است که ضرر و زیان گیاهان شبیه‏سازى شده بیش‏تر از نفع‏شان است.
ثالثاً در آن آزار یا ضررى متوجه خود حیوان نشود حتّى در دراز مدت زیرا آزار حیوانات در دین خدا، حرام است.
آقاى قرضاوى در مورد حکم شبیه‏سازى انسان مى‏گوید: شبیه‏سازى انسان به خاطر پیامدهاى فاسد و از آن جهت که با نظام حکیمانه الهى و تنوع مخلوقات منافات دارد، ممنوع و حرام است.
از دکتر قرضاوى در مورد شبیه‏سازى درمانى سؤال کرده‏اند و او در پاسخ گفته است: اگر مقصود، شبیه‏سازى انسان براى جدا کردن قطعه‏اى سالم از بدن او و پیوند به دیگرى است، این عمل حرام است و به هیچ وجه جایز نیست. زیرا نسخه بدل، نفس محترمه است. امّا اگر مقصود این است که اعضاى معین از بدن (مانند قلب، کبد و...) شبیه‏سازى شوند و براى معالجه بیماران استفاده شود دین خدا این عمل را مى‏پذیرد و از آنجا که منفعت مردم در آن است بدون‏ اینکه به کسى ضرر برسد یا حرمتى هتک شود، آن را پاداش مى‏دهد.
دکتر قرضاوى، در ادامه موارد جایز مطالعات ژنتیک را چنین بر شمرده است:
- بهبود تکنولوژى‏هاى باردارى و کشف بیمارى‏هاى خطرناک.
- شناسایى ژن‏هاى بعضى از بیمارى‏هاى وراثتى (مثل مرض قند، کم بینى و بعضى از انواع سرطان‏ها) و از بین بردن ویروس‏هاى عامل این امراض.
- شناخت قبل از ولادت بعضى از بیمارى هایى که بعد از ولادت ممکن است دامن گیر نوزاد شود به منظور تولید نوزادانى کامل از نظر صفات و با جسمى سالم از ناهنجارى‏ها و نارسایى‏هاى جسمى.
- کنترل خصوصیات جنین و یا انتخاب پسر یا دختر بودن آن به شرط ایمنى از ناهنجارى‏هاى ظاهرى.
- شبیه‏سازى دستگاه‏ها و اعضاى انسان براى نقل آنها به افراد نیازمند و از طریق لوله‏ها و دستگاه‏هاى آزمایشگاهى همانطور که در علم پزشکى و جراحى ژنتیک... به صورت امرى عادى درآمده است.
- تولید تخمک بارور شده از ژن‏هاى انسانى که در جنین‏هاى حیوانى جاسازى شده است به شکلى که صفات انسانى آن حفظ شود و پس از طى مراحل رشد، در صورت نیاز از حیوانات به انسان منتقل شود.
- شبیه‏سازى ژن تولید کننده انسولین در جسم انسان و تزریق آن در باکترى زنده و در نتیجه آماده سازى ماده انسولین مذکور براى همان فرد مریض.
- قرار دادن هورمون تحریک کننده در ایجاد تخمک‏ها در تخمدان زن و وضع این ژن در یک خمیر مایه معینى و در نتیجه دسترسى به (fsh) شبیه‏سازى ژنى که هورمون را به صورت خالص تولید مى‏کند و استفاده از آن در فعال ساختن تخمدان‏ها و افزودن فرصت‏هاى حمل (fsh) هورمون.
- شبیه‏سازى ژن مسئول تحریک آنزیمى که این آنزیم مسئول حل کردن خون مردگى‏ها در سکته‏هاست.
- شبیه‏سازى ژن تشکیل دهنده شیر که پستان مادر آنرا تولید مى‏کند و وارد کردن آن در سلول گوسفند تا این که گوسفند بتواند شیرى مانند شیر مادر که ویژگى‏هاى سلامت آورى نسبت به نوزاد دارد، تولید کند.
و اما نسبت به حیوان، شبیه‏سازى آن به دو شرط جایز است: اول: به غرض نگه داشتن حیواناتى که در معرض انقراض‏ هستند. دوم: انتخاب نسل برتر حیوانات و تکثیر بهترین آنها.
اما نسبت به گیاهان جواز شرعى بدون هیچ قید و شرطى در این مورد معین است خصوصاً اگر غرض بهتر کردن نوع و کیفیت محصولات گیاهى باشد.
شیخ قرضاوى پس از بر شمردن موارد جایز، موارد ممنوع و حرام را نیز چنین بیان کرده است:
- هر راه و روش غیر تضمینى که احتمال شکست داشته و به احتمال قوى موجب به وجود آمدن بیمارى‏ها و ناهنجارى‏هایى در جنین باشد.
- هر تلاشى براى نفى کانون خانواده و ازدواج و قانون توازن بیولوژى موجود در آن‏
- هر تلاشى براى نفى قاعده زوجیت اشیاء و مخلوقات که اساس هستى است به دلیل مخالفتى که با نص قرآن کریم دارد «و خلقناکم ازواجاً، من کل شى‏ء خلقنا زوجین لعلکم تذکرون، سبحان الذى خلق الازواج کلها ممّا تنبت الارض و من انفسهم و مما لا یعلمون».
- تولید و شبیه‏سازى نوزادانى زنده از بافت جنین‏هاى سقط شده‏
- تولید و شبیه‏سازى از بافت‏هاى تخمدان دختران جوانى که فوت کرده‏اند.
- تأسیس بانک‏هایى براى جمع آورى و استریلیزه کردن تخمک‏ها براى کاشتن یا شبیه‏سازى کردن آنها به قصد آماده سازى آنها براى درخواست کنندگان باردارى.
- قرار دادن تخمک‏هاى شبیه‏سازى شده و لقاح شده در رحم زنانى غیر از زنانى که آنرا هدیه کرده و یا آن تخمک از ایشان گرفته شده.
- تولید گوشت از حیواناتى که با ژن‏هاى انسانى داراى طعم خاص ترکیب شده‏اند. (گفتنى است تولید این نوع گوشت‏ها براى پاسخگویى به تمایلات افرادى است که گوشت انسان را مى‏خورند و اینکه این کار بصورت قانونى در آید. مانند مزرعه هایى که در ولایت هیوستن آمریکا تأسیس شده و در آن گاوهایى حامل ژن‏هاى انسانى پروار مى‏شوند که گوشت هایى بنام گوشت‏هاى گاوى انسانى تولید مى‏کنند و رستوران‏هاى مخصوص این گوشت‏ها نیز افتتاح شده است).
2. دکتر محمد رأفت عثمان، استاد فقه تطبیقى در دانشکده فقه و حقوق دانشگاه الازهر، نظرات فقهى خود را پیرامون شبیه‏سازى مطرح کرده است. او این بررسى را در کنفرانسى که مجلس اعلاى مصر با عنوان (حقوق و پیشرفت علم بیولوژیک) بر پا کرده بود، مطرح کرد. این کنفرانس شاهد تعدادى از نظریات اجتهادى در مورد انقلاب بیولوژیکى - که شبیه‏سازى از آن جمله است - بود.
دکتر رأفت عثمان در بررسى جامع علمى پیرامون شبیه‏سازى، بر این مطلب تأکید مى‏کند که ما در مورد شبیه‏سازى انسانى چند حالت داریم که باید بین آنها فرق گذاشت و نباید یک حکم شرعى واحد را براى همه آنها اخذ کرد.
وى شش صورت براى شبیه‏سازى تصور کرده است که در چهار حالت حکم به حرمت قطعى داده و در دو حالت دیگر حکمى نداده و توقف کرده است.
1. نخستین حالت از حالات شش گانه که دکتر رأفت عثمان تصور کرده این است که هسته سلولى ماده گرفته شود و در تخمک ماده دیگرى که هسته آن برداشته شده کاشت شود و در نهایت در رحم او کاشت نهایى صورت گیرد.
این حالت از شبیه‏سازى قطعاً حرام است به دلیل چند قاعده اصولى و فقهى:
اول: قاعده قیاس. این نوع همانند سازى، مشابه به رابطه جنسى بین دو هم‏جنس است که حرام مى‏باشد. پس اگر رابطه جنسى بین دو همجنس حرام است، زاد و ولد بین آن دو نیز به طور قطع حرام خواهد بود.
دوم: قاعده سدّ ذرایع؛ زیرا اگر این امر بین زن‏ها شایع شود، باعث انتشار تباهى مى‏گردد.
سوم: جلوگیرى از ضرر نفسى و اجتماعى که فرزند در آینده دچار آن مى‏شود.
2. اینکه هسته سلولى را از زنى بگیرند و در تخمک همان زن کشت کنند. این صورت نیز مانند صورت قبلى حرام است و دلیل حرمت نیز دلایل پیشین است.
3. اینکه هسته سلولى را از حیوانى بگیرند و در تخمک زنى کشت کنند. حکم این صورت نیز حرمت است؛ زیرا کار بیهوده است و باعث نقص و مشوه کردن مخلوق خدا مى‏شود؛ چون مخلوق جدیدى به وجود خواهد آمد.
4. اینکه هسته را از سلول آلت مردى بگیرند و در تخمک زنى که همسر آن مرد نیست، کشت کنند که این صورت نیز حرام است؛ زیرا این حالت مانند زناست - اگر چه به خاطر عدم وجود شرایط و ارکان زنا، زناى اصطلاحى نیست
ولى همان پیامدهاى زنا - که اختلاط نسبت هاست - را داراست، بنابراین حکم زنا را دارد.
دکتر رأفت عثمان این چهار صورت را تحریم قطعى کرده است، همانطور که اجتماع علماء بر حرمت شبیه‏سازى انسان است امّا دو صورت دیگر نیز هست که رأفت عثمان در آنها توقف کرده و طبق نظر بیشتر علماء که گفته‏اند حرام است، فتوى نداده است.
1. اینکه هسته‏اى که حاوى ماده ژنتیکى است را از سلول آلت مردى بگیرند و در تخمک زنى - که همسر آن مرد است - کشت کنند البته به شرط اینکه هر دو (یعنى زن و شوهر) زنده باشند. رأفت عثمان در این صورت توقف کرده است و فتوى به حرمت یا جواز نمى‏دهد و منتظر نتیجه بررسى‏ها و تجربه‏ها در مورد شبیه‏سازى مى‏ماند. اگر نتیجه، کودکى باشد که از نظر جسمى، روحى و اجتماعى ناقص الخلقه باشد، اینگونه رویه حرمت قطعى خواهد داشت ولى اگر کودکى که به این صورت به دنیا مى‏آید کودکى طبیعى باشد که هیچ عیب و نقصى ندارد، در این صورت حکم را باید مورد بررسى بیش‏ترى قرار داد.
اینجاست که مشخص مى‏شود همسرى که عقیم و قادر به تولید مثل به طور طبیعى (جنسى) نیست:، حق دارد به این‏گونه شبیه‏سازى انسان پناه ببرد.
2. این صورت، معروف به دو قلوى سیامى یا کپى سازى است. در این حالت از شبیه‏سازى انسانى همچون حالات گذشته بى نیاز از ماده منى نیست بلکه تلاشى براى تولد چند فرزند - که مانند دوقلوها ویژگى ژنتیکى مشترکى دارند - صورت مى‏گیرد. این کار از طریق بارورسازى تخمک با منى در محفظه‏اى بیرون از رحم و تقسیم سلول به دست آمده از این بارورسازى به چند سلول همسان که همان ویژگى‏هاى ژنتیکى را دارند، انجام مى‏گیرد.
رأفت عثمان در این مورد نیز توقف کرده و فتوى به حرمت و یا جواز نمى‏دهد و منتظر تجربه‏ها و آزمایشات شبیه‏سازى و پیامدهاى آن است.

منابع :

سایت حوزه
نشریه پرسمان ،شماره 8
بازتاب اندیشه-شماره 34
http://www.jazirehdanesh.com

مقدمه‌ای بر جایگاه فناوری نانو در صنایع پلیمری و صنعت لاستیک

مقدمه‌ای بر جایگاه فناوری نانو در صنایع پلیمری و صنعت لاستیک

هسته و تعریف اولیه فناوری نانو، مونتاژ اتم‌ها بود که اولین منبع ثبت شده مـربـوط بـه آن را در سـال 1959 فیـزیکدانـی بـه نام ریچـارد فیـنمن به چاپ رسانده است. فناوری نانو یک فناوری معکوس (پایین به بالا) است که اجزای مواد را در ساختار بسیار کوچک کنار هم گذاشته و ساختاری متفاوت از مواد متداول تولید شده به روش بالا به پایین ایجاد می‌کند. بنابراین مواد تولید شده به این روش نقایص کمتر و کیفیت بالاتری دارند.
نانوکامپوزیت‌های پلیمری در بیست سال اخیر در مجامع علمی و صنعتی مورد توجه قرار گرفته‌اند. به عنوان مثال تنها در آمریکا در سال 1997، 116 میلیون دلار برای تحقیق در این زمینه هزینه شده است که در سال 2004 این رقم به 961 میلیون دلار رسیده است یعنی در هفت سال تقریباً 9 برابر شده است. شرکت Business communications Co. Inc. (BCC) در یک بررسی اقتصادی نشان داده است که بازار نانوکامپوزیت‌های پلیمری در سال 2003،24.5 میلیون پوند به ارزش 90.8 میلیون دلار بوده است و پیش بینی می‌شود که این رقم با رشد متوسط 18.4 درصد در سال 2008 به 211.1 میلیون دلار برسد. حتی پیش‌بینی شده است که اگر پیشرفت فناوری نانو با موارد فنی همگام روبه‌رو شود در بعضی از کاربردها این بازار با سرعت بیش‌ از 20 درصد در سال رشد کند.نانوکامپوزیت‌های پلیمری جایگزینی قوی برای پلیمرهای پرشده (حاوی پرکننده) یا آلیاژهای پلیمری متداول هستند. بر خلاف کامپوزیت‌های متداول که تقویت در آنها در ابعاد میکرون روی می‌دهد، در نانوکامپوزیت‌ها این ابعاد به چند نانومتر می‌رسد. ارزش افزوده نانوکامپوزیت‌های پلیمری تنها بر اساس بهبود خواص مکانیکی پلیمر‌ها یا جایگزینی پرکننده‌های متداول‌ نیست بلکه پرکننده‌های نانو در مقادیر بسیار کم، خواص ویژه‌ای را بدون ایجاد تغییر زیاد در خواص مکانیکی یا فرآیند‌پذیری، در پلیمرها ایجاد می‌کنند که پلیمر اولیه فاقد آن است، متداول‌ترین پرکننده‌های نانو در پلیمرها، سیلیکات‌های لایه‌ای نانو و نانولوله‌های کربنی هستند.

پرکننده‌های لایه‌ای نانو سیلیکا

سیلیکات‌هایی که در ساخت نانوکامپوزیت‌ها به کار می‌روند، ساختاری لایه‌ای با ضخامت حدود یک نانو متر دارند که طول آنها متغیر است و به چند میکرون هم می‌رسد. بنابراین نسبت منظر (نسبت طول به ضخامت) آن بسیار بالا و بیشتر از هزار است. این لایه‌ها توده‌ای تشکیل می‌دهند که در بین آن فاصله‌هایی وجود دارد که از این پس آنها را با نام بین‌لایه‌ها (interlayer) خواهیم شناخت.با جایگزینی ایزومورفیک بین لایه‌ها (جایگزینی Mg+2 با Al+3) یک بار منفی ایجاد می‌شود که ساختار آلکالی یا آلکالین کاتیون‌های معدنی درون بین لایه‌ها را موازنـه مـی‌کند. سطح کاتیـون‌ها مانند یـون‌های توده‌ای (bulky) آلکیل آمونیوم، فاصله بین لایه‌ها را افزایش داده و انرژی سطحی پرکننده را کاهش می‌دهد. بنابراین این پرکننده‌های اصلاح شده که به رس آلی(OrganoClay) معروفند، با پلیمرها سازگارترند و نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای با سـیـلیــکـا شــکل مـی‌گـیـرد. مـونـت‌مـوریـلـونـیـت (montmorillonite)، هکتوریت (hectorite) و ساپونیت (saponite) متداول‌ترین پرکننده‌های سیلیکایی لایه‌ای هستند.

روش‌های ساخت نانوکامپوزیت‌ها

از آنجا که در صنایع پلیمری نانوسیلیکات‌ها، متداول‌تر از بقیه مواد نانو هستند از این پس بیشتر به این مواد خواهیم پرداخت. روش‌های مختلفی برای ساخت نانوکامپوزیت‌های سیلیکات‌های لایه‌ای به کار رفته است.اما سه روش، استفاده بیشتری دارند.
1- پلیمریزاسیون درجا insitu-polymerization)):
این روش برای اولین بار در تهیه مواد پلیمری حاوی نانوکلی(clay) بر پایه پلی‌آمید-6 به کار رفته است. در این روش سیلیکاهای لایه‌ای به وسیله مونومر مایع یا محلول مونومر، متورم می‌شود، سپس مونومرها به درون لایه‌ها سیلیکات نفوذ کرده و پلیمریزاسیون در بین لایه‌ها اتفاق می‌افتد.
2- روش محلولی:
این روش مشـابه روش قبـلی است. ابـتـدا رس آلی در یک حلال قطبی مانند تولوئن یا NَN,- دی متیل فرمامید متورم شده، سپس پلیمر حل شده در حلال به محلول قبلی افزوده شده و بین لایه‌ها جای می‌گیرد. مرحله نهایی کار، تبخیر حلال است که معمولاً در خلا اتفاق می‌افتد. مزیت این روش این است که برای همه مواد پلیمری قابل اجراست اما اشکال عمده آن غیر قابل اجرا بودن آن در مقیاس صنعتی می‌باشد.
3- روش اختلاط مذاب:
در این روش پلیمر مذاب که دارای ویسـکوزیـتـه پاییـنی است با پرکننـده نـانوکلیِ(clay) آمیخته می‌شود. در این روش به دلیل افزایش بی‌نظمی، پلیمر به داخل لایه‌های کلی(clay) نفوذ می‌کند(شکل1). این روش، به دلیل پتانسیل بالایی که برای اجرا در مقیاس صنعتی دارد به شدت مورد توجه قرار گرفته است و نانوکامپوزیت‌های کلی(clay) بسیار زیادی به روش اکستروژن تولید شده است. تعداد زیادی از ترموپلاستیک‌های قطبی مانند پلی‌آمید-6، اتیل وینیل استات و پلی استایرن به این روش درون لایه‌های سیلیکاتی نفوذ کرده‌‌اند اما در مورد پلی اولفین‌ها که مصرف بسیار زیادی نیز دارند این فرآیند موفق نبوده است. اجرای این روش در لاستیک‌ها به دلیل ویسکوزیته بسیار زیاد و پدیده‌های الاستیک با موانع زیادی روبرو است و همین امر دلیل عدم پیشرفت قابل توجه نانوکامپوزیت‌های الاستومری در مقایسه با پلاستیک‌ها است.

ساختار نانوکامپوزیت‌های کلی(clay)

بسته به طبیعت اجزای یک نانوکامپوزیت مانند نوع پلیمر، ماتریس و سیلیکات لایه‌ای یا کاتیون آلی بین لایه‌های سیلیکاتی سه ساختار در نانوکامپوزیت‌ها ممکن است ایجاد شود (شکل 2):
1- ساختار فاز‌های جدا:
اگر پلیمر نتواند بین لایه‌های سیلیکاتی نفوذ کند یک میکروکامپوزیت تولید می‌شود که مانند کامپوزیت‌های متداول بوده و امکان جدایی فازی در آن وجود دارد. به جز این نوع متداول کامپوزیت‌ها، امکان ایجاد دو ساختار دیگر وجود دارد.
2- ساختار لایه لایه(Intercalated structures):
این ساختار با نفوذ یک یا چند زنجیر پلیمری به درون لایه‌های سیلیکا و ایجاد ساختار ساندویچی حاصل می‌شود.
3- ساختار پراکنده یا پخش شده exfoliated ordelaminated structure)) :
این ساختار وقتی حاصل می‌شود که لایه‌های پرکننده سیلیکاتی به طور همگن و یکنواخت در بستر پلیمری توزیع شده باشند. این ساختار لایه‌های کاملاً جدا شده از اهمیت بسیار ویژه‌ای برخوردار است زیرا بر همکنش لایه‌های کلی(clay) و پلیمر را به حداکثر رسانده و تغییرات بسیار مشهودی را در خواص فیزیکی مکانیکی پلیمر ایجاد می‌کند.

خواص نانوکامپوزیت‌ها

نانوکامپوزیت‌ها در مقادیر 5-2 درصد وزنی، خواص پلیمرهای خالص را به طرز قابل توجهی بهبود می‌دهند. این ارتقای خواص عبارتند از:
• خواص عبور پذیری (barrier) مانند نفوذپذیری و مقاومت در برابر حلال‌ها؛
• خواص نوری ؛
• هدایت یونی خواص دیگر حاصل از ساختار لایه‌ای نانو سیلیکات‌ها در نانوکامپوزیت‌های پلیمری، افزایش پایداری حرارتی و مقاومت در برابر شعله (آتش) در مقادیر بسیار کم پرکننده می‌باشد.

کاربرد فناوری نانو در صنعت لاستیک

تاکنون در دنیا در صنایع پلیمری تحقیقات بسیار زیادی انجام شده است. از جمله آنها تحقیقات در زمینه فناوری نانو در صنعت لاستیک است. موارد استفاده از فناوری نانو اعم از نانوفیلرها و نانوکامپوزیت است که به لاستیکها خواص ویژه ای می دهد.بازار نانوکامپوزیت در 2005 به میزان 200 بیلیون یورو و در سال 2015 بر اساس آمارBSF به میزان 1200 بیلیون یورو پیش بینی شده است. در سال 2002 کشوری مثل ژاپن 1500 میلیون یورو در تحقیقات در زمینه فناوری نانو صرف کرده است. تحقیقات در زمینه فناوری نانو را بدون شک نمی توانیم رها کنیم. اکثر کشورهای دنیا تحقیقات و فعالیت در زمینه نانو را شروع کرده است، به عنوان مثال کشور هند تولید نانوکامپوزیت SBR را شروع کرده است. همچنین صنایع خودرو در دنیا به سمت استفاده از نانو) PP نانوپلی پروپیلن( سوق پیدا کرده است و علت اصلی آن خواص مناسب از جمله سبکی، مقاومت حرارتی و مقاومت ضربه اینگونه مواد است. بنابراین رسیدن به خواص مطلوب ضرورت توجه به آن را بیش از هرچیز دیگر برای ما نمایان می سازد.

مقدمه (کاربردهای فناوری نانو در صنعت لاستیک):

با توجه به تحقیقات به عمل آمده چهار ماده نانومتری هستند که کاربرد فراوانی در صنعت لاستیک سازی پیدا کرده اند. چهار ماده موردنظر عبارتنداز : اکسیدروی نانومتری(NanoZnO)، نانوکربنات کلسیم، الماس نانومتری، ذرات نانومتری خاک رس.با اضافه کردن این مواد به ترکیبات لاستیک، به دلیل پیوندهایی که در مقیاس اتمی بین این مواد و ترکیبات لاستیک صورت می گیرد، علاوه بر این که خواص فیزیکی آنها بهبود می یابد، می توان به افزایش مقاومت سایش، افزایش استحکام، بهبود خاصیت مکانیکی، افزایش حد پارگی و حد شکستگی اشاره کرد.در زیبایی ظاهری لاستیک نیز تاثیر گذاشته و باعث لطافت، همواری، صافی و ظرافت شکل ظاهری لاستیک می گردد. همه اینها به نوبه خود باعث می شود که محصولات نهایی، مرغوبتر، با کیفیت بالا، زیبایی و در نهایت بازارپسند باشند و توانایی رقابت در بازارهای داخلی و جهانی را داشته باشند.

کاربرد اکسیدروی نانومتری (NanoZnO) درلاستیک:

اکسیدروی نانومتری مادهای غیرآلی و فعال است که کاربرد گسترده ای در صنعت لاستیک سازی دارد.کوچکی کریستالها و خاصیت غیرچسبندگی آنها باعث شده که اکسیدروی نانومتری به صورت پودرهای زردرنگ کروی و متخلخل باشد.از خصوصیات استفاده از این تکنولوژی در صنعت لاستیک، می توان به پایین آمدن هزینه ها، بازدهی بالا، ولکانیزاسیون(Volcanization) خیلی سریع و هوشمند و دامنه دمایی گسترده اشاره کرد.
اثرات سطحی و فعالیت بالای اکسیدروی نانومتری ناشی از اندازة بسیار کوچک، سطح موثر خیلی زیاد وکشسانی خوب آن است.استفاده از اکسید روی نانومتری در لاستیک باعث بهبود خواص آن میشود از جمله میتوان به زیبایی و ظرافت بخشیدن به آن، صافی و همواری شکل ظاهری، افزایش استحکام مکانیکی لاستیک، افزایش مقاومت سایشی (خاصیت ضد اصطکاکی و سایش)، پایداری دمایی بالا، طول عمر زیاد و همچنین افزایش حد پارگی ترکیبات لاستیک اشاره کرد که همگی اینها بصورت تجربی ثابت شده است.براساس نتایج بدست آمده میتوان نتیجه گرفت بهبود یافتن خواص فیزیکی لاستیک در اثر اضافه شدن ZnO ناشی از پیوند ساختار نانومتری اکسید روی با مولکولهای لاستیک است که در مقیاس اتمی صورت می گیرد.اکسید روی نانومتری در مقایسه با اکسید روی معمولی دارای اندازة بسیار کوچک ولی در عوض دارای سطح موثر بسیار زیادی می باشد. از لحاظ شیمیایی بسیار فعال و همچنین به دلیل اینکه پیوندهای بین اکسیدروی نانومتری و لاستیک در مقیاس مولکولی انجام می گیرد، استفاده از اکسیدروی نانومتری خواص فیزیکی و خواص مکانیکی از قبیل حد پارگی، مقاومت سایشی و ... ترکیبات لاستیک را بهبود می بخشد.

کاربرد نانوکربنات کلسیم در لاستیک:

نانوکربنات کلسیم به طور گسترده ای در صنایع لاسیتک به کار می رود، زیرا اثرات خیلی خوبی نسبت به کربنات معمولی بر روی خواص و کیفیت لاستیک دارد.استفاده از نانوکربنات کلسیم در صنایع لاستیک باعث بهبود کیفیت و خواص ترکیبات لاستیک می شود. از جمله مزایای استفاده از نانوکربنات کلسیم می توان به توانایی تولید در مقیاس زیاد، افزایش استحکام لاستیک، بهبود بخشیدن خواص مکانیکی )افزایش استحکام مکانیکی) و انعطاف پذیر شدن ترکیبات لاستیک اشاره کرد. همچنین علاوه بر بهبود خواص فیزیکی، ترکیبات لاستیک در شکل ظاهری آنها نیز تاثیر می گذارد و به آنها زیبایی و ظرافت می بخشد که این خود در مرغوبیت کالا و بازارپسند بودن آن تاثیر بسزایی دارد.نانوکربنات کلسیم سبک بیشتر در پلاستیک و پوشش دهی لاستیک به کار میرود.
برای به دست آوردن مزایای ذکر شده، نانوکربنات کلسیم به لاستیکهای طبیعی و مصنوعی از قبیلNP، EPDM ،SBS ،BR ،SBR اضافه می گردد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که استحکام لاستیک بسیار بالا می رود.
استحکام بخشی نانوکربنات کلسیم برخواسته از پیچیدگی فیزیکی ناشی از پیوستگی در پلیمرهای آن و واکنشهای شیمیایی ناشی از سطح تعمیم یافته آن است.نانوکربنات کلسیم سختی لاستیک و حد گسیختگی پلیمرهای لاستیک را افزایش داده و حداکثر توانی که لاستیک می تواند تحمل کند تا پاره شود را بهبود می بخشد. همچنین مقاومت لاستیک را در برابر سایش افزایش می دهد.به کار بردن نانوکربنات کلسیم هزینه ها را پایین می آورد و سود زیادی را به همراه دارد و همچنین باعث به روز شدن تکنولوژی و توانائی رقابت در عرصه جهانی می گردد.
به طور کلی نانوکربنات کلسیم در موارد زیادی به طور کلی یا جرئی به ترکیبات لاستیک جهت افزایش استحکام آنها افزوده می شود.

کاربرد ساختارهای نانومتری الماس در لاستیک:

الماس نانومتری به طور گسترده ای در کامپوزیت ها و از جمله لاستیک در مواد ضد اصطکاک، مواد لیزکننده به کار می رود. این ساختارهای نانومتری الماس از روش احتراق تولید می شوند که دارای خواص برجسته ای هستند از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1) ساختار کریستالی( بلوری)
2) سطح شیمیایی کاملا ناپایدار
3) شکل کاملا کروی
4) ساختمان شیمیایی بسیار محکم
5) فعالیت جذب سطحی بسیار بالا
در روسیه، الماس نانومتری با درصدهای مختلف به لاستیک طبیعی ، Poly Soprene Rubber و FluorineRubber برای ساخت لاستیک هایی که در صنعت کاربرد دارند از قبیل کاربرد در تایر اتومبیل، لوله های انتقال آب و ... مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که با اضافه کردن ساختارهای نانومتری الماس به لاستیک ها خواص آنها به شکل قابل توجهی بهبود می یابد از جمله می توان به :
1) 4 الی 5 برابر شدن خاصیت انعطاف پذیری لاستیک
2) افزیش 2 الی 5/2 برابری درجه استحکام
3) افزایش حد شکستگی تا حدود 2 Kg/cm700-620
4) 3 برابر شدن قدرت بریده شدن آنها
و همچنین به اندازة خیلی زیادی خاصیت ضدپارگی آنها در دمای بالا و پایین بهبود می یابد.

کاربرد ذرات نانومتری خاک رس در لاستیک:

یکی از مواد نانومتری که کاربردهای تجاری گسترده ای در صنعت لاستیک پیدا کرده است و اکنون شرکت های بزرگ لاستیک سازی بطور گسترده ای از آن در محصولات خود استفاده می کنند، ذرات نانومتری خاک رس است که با افزودن آن به لاستیک خواص آن بطور قابل ملاحظه ای بهبود پیدا می کند که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد :
1) افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش
2) افزایش استحکام مکانیکی
3) افزایش مقاومت گرمایی
4) کاهش قابلیت اشتعال
5) بهبود بخشیدن اعوجاج گرمایی

ایده های مطرح شده:

1-7) افزایش دمای اشتعال لاستیک : تهیه نانوکامپوزیت الاستومرها از جملهSBR مقاوم، به عنوان مواد پایه در لاستیک سبب بهبود برخی خواص از جمله افزایش دمای اشتعال و استحکام مکانیکی بالامی شود و دلیل اصلی آن حذف مقدار زیادی از دوده است.
2-7) کاهش وزن لاستیک : تهیه و بهینه سازی نانوکامپوزیت الاستومرها با وزن کم از طریق جایگزین کردن این مواد با دوده در لاستیک، امکان حذف درصد قابل توجهی دوده توسط درصد بسیار کم از نانوفیلر وجود دارد. بطوریکه افزودن حدود 3 تا 5 درصد نانوفیلر می تواند استحکام مکانیکی معادل 40 تا 45 درصد دوده را ایجاد کند. بنابراین با افزودن 3 تا 5 درصد نانوفیلر به لاستیک، وزن آن به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد.
3-7) افزایش مقاومت در مقابل نفوذپذیری گاز : نانوکامپوزیت الاستومرها بویژه EPDM بدلیل دارا بودن ضریب عبوردهی کم نسبت به گازها بویژه هوا می توانند در پوشش داخلی تایر و تیوب ها مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا یکی از ویژگیهای نانوکامپوزیت EPDM مقاومت بسیار بالای آن در برابر نفوذ و عبور گازها می باشد. بنابراین این نانوکامپوزیت ها می تواند جایگزین مواد امروزی گردد. همچنین این نانوکامپوزیت ها از جمله الاستومرهایی است که می تواند در آلیاژهای مختلف با ترموپلاستیکها کاربردهای وسیعی را در صنعت خوردو داشته باشد.
4-7) قطعات لاستیکی خودرو : نانوکامپوزیت ترموپلاست الاستومرها می تواند به عنوان یک ماده پرمصرف در صنایع ساخت و تولید قطعات خوردو بکار رود. از ویژگی های این مواد، بالا بودن مدول بالا ، مقاومت حرارتی، پایداری ابعاد، وزن کم، مقاومت شعله می باشد. لذا نانوکامپوزیت ترموپلاستیک الاستومرهای پایهEPDM و PP می توانند تحول چشمگیری را در ساخت قطعات خوردو ایجاد نماید.
5-7) افزایش مقاومت سایشی لاستیک : استفاده از نانوسیلیکا و نانواکسیدروی در ترکیبات تایر سبب تحول عظیمی در صنعت لاستیک می شود. بطوریکه با افزودن این مواد به لاستیک علاوه بر خواصی ویژه ای که این مواد به لاستیک می دهند، امکان افزایش مقاومت سایشی این لاستیکها وجود دارد.
6-7) نسبت وزن تایر به عمر آن : با افزودن میزان مصرف یکی از نانوفیلرها می توان مصرف دوده را پایین آورد. به عبارت دیگر اگر وزن تایر کم شود، عمر لاستیک افزایش می یابد. بنابراین جهت بالا بردن عمرلاستیک کافی است با افزودن یک سری مواد نانومتری به لاستیک عمر آن را افزایش داد.
- شرکتهایی که در زمینه مواد نانومتری و صنعت لاستیک کار می کنند:

شرکت	Shanxi FourNano Technology Co.ltd
فعالیت	در زمینه تولید اکسید روی نانومتری جهت کاربرد در صنعت لاستیک سازی بخصوص لاستیک کامیون فعالیت می کند.
کشور	چین
آدرس اینترنتی	http://www.fhnm.com/english/jhs.htm

شرکت	Goodyear
فعالیت	این شرکت یکی از بزرگترین شرکت های تولیدکنندة لاستیک در آلمان می باشد که از ذرات نانومتری دوده (Carbon black) در لاستیک استفاده می کند.
کشور	آلمان
آدرس اینترنتی	www.goodyear.com

شرکت	FCCINC
فعالیت	این شرکت یک خط ذرات نانومتری خاک رس جهت تزریق به پلیمرهای لاستیک ایجاد کرده است.
کشور	چین
آدرس اینترنتی	http://www.nanoclay.com

استفاده از نانولوله‌های کربنی حساس به رامان در ولکانیزاسیون لاستیک طبیعی

در حال حاضر کاربرد نانولوله‌ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می‌شود. اگر چه ساخت کامپوزیت‌های لاستیکی همراه با نانولوله کربنی تک‌دیواره هنوز با موانع فنی متعددی روبه‌روست که باید حل شود؛ در میان اینها یکی از اصلی‌ترین مسائل مورد توجه پراکندگی نانولوله‌های کربنی است. امواج صوتی یکی از روش‌های پراکندگی مؤثر است. اگر چه امواج صوتی برای مدت طولانی و با قدرت زیاد دارای آثار تخریبی است، یکی از روش‌های پراکندگی مؤثر است. با وجود این می‌توان از یک سطح بهینه از امواج صوتی (SONICATION) استفاده کرد. از موانع دیگر می‌توان به گران بودن نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره اشاره کرد که البته ممکن است بهسازی خصیصه مکانیکی ترکیب ارزش این هزینه کردن را نداشته باشد. نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره ارزش استفاده در برخی کاربرد‌ها نظیر حسگر کششی رامان، مواد انباره هیدروژن و ترکیبات خازنی سطح بالا را دارند. طیف‌بینی رامان برای اثبات وجود نانولوله‌های کربنی، تعیین قطر نانولوله‌ها، توزیع قطری بسته‌های نانولوله مورد استفاده قرار می‌گیرد. نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره طیف رامان متمایزی دارند. در این آزمایش بی‌نظمی پیک *D رامان تهییج شده مربوط به نانولوله‌های کربنی که در محدوده 2500 تا2700 Cm-1 قرار دارد، مورد بررسی قرار می‌گیرد. از نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره می‌توان به عنوان حسگر فشار استفاده کرد. پیک *D برای تشخیص کشش و انتقال در پلیمر‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد و به وسیله طیف‌بینی رامان تعیین کمیت می‌شود. این نوع از کاربرد تنها به میزان کمی از نانولوله‌های کربنی کمتر از 5/0درصد وزنی نیاز دارد و حساسیت اندازه‌گیری می‌تواند در مقیاس بزرگ ماکرو و میزان مولکولی باشد. نانولوله‌های کربنی همچنین می‌توانند در الاستومرها برای سنجش فشار‌های بینابینی مورد استفاده قرار گیرند. ویژگی‌های یک الاستومر ویژه با ماهیت اتصالات عرضی در شبکه مشخص می‌شود. در حالی که هنوز گوگرد به مراتب مؤثرترین عامل ولکانش است افزودن میزان کمی از تسریع‌کننده‌ها نه فقط فرایند‌ها را تسریع می‌کند، بلکه کمیت و نوع اتصالات عرضی شکل گرفته در ولکانش را نیز تعیین می‌کند. مطالعات مختلف در مورد اثر ساختار‌های اتصالا ت عرضی در ولکانش لاستیک با استفاده از گوگرد برای چندین دهه مورد بررسی قرار گرفته است. دانسیته تراکم اتصالات عرضی عامل مهمی است که بر ویژگی‌های فیزیکی شبکه الاستومری ولکانیزه شده تأثیر می‌گذارد. دانسیته تراکم یک شبکه اساساً به تعداد زنجیره‌ها، وزن مولکولی و نسبت گوگرد به شتاب‌دهنده بستگی دارد. چندین روش برای ارزیابی تراکم اتصالات عرضی وجود دارد. متورم کردن به وسیله یک حلال ارگانیک یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای توصیف شبکه‌های الاستومر است. اندازه گیری‌های تنش-کرنش یکی از روش‌های غیر مستقیم برای اندازه‌گیری میزان تراکم اتصالات عرضی است. هدف اصلی این روش ساخت کامپوزیت (SWNT/NR) ومقایسه ویژگی‌های مکانیکی کامپوزیت و لاستیک طبیعی خالص است. بعد از آن امکان استفاده از نانوحسگرهای رامان برای توصیف شرایط ایجادلاستیک طبیعی با استفاده از میزان‌های مختلفی از گوگرد بررسی می‌شود. داده‌های تنش-کرنش تک‌محوری برای تحلیل تراکم اتصالات عرضی الاستومرهای ولکانیزه شده استفاده می‌شود و سپس از آن با نتیجه تحلیل رامان مقایسه می‌شود.
2. روش تجربی
ترکیبات لاستیک طبیعی و کامپوزیت در دمای اتاق و در حلال تولوئن تهیه می‌شود. مخلوط لاستیک طبیعی و تولوئن ابتدا تحت تأثیر امواج صوتی قرار می‌گیرد تا لاستیک طبیعی کاملاً حل شود. نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در تولوئن را امواج صوتی پخش می‌کنند. محلول نانولوله‌های کربنی /تولوئن به همراه اکسید روی و استئاریک اسید وسیکلو هگزیل بنزو تیازول سولفونامید (CBS) به محلول لاستیک طبیعی /تولوئن اضافه شده و تحت تأثیر امواج صوتی قرار می‌گیرد تا به‌صورت محلو ل همگن درآید، سپس محلول حاصل به 15 قسمت مساوی تقسیم می‌شود و مقادیر مختلف گوگرد از صفر تا 60 میلی گرم به این قسمت‌ها اضافه می‌شود. تمام محلول‌ها به خوبی تکان داده می‌شوند تا زمانی که گوگرد به خوبی در محلول پراکنده شود، پس از آن برای مدت یک شبانه‌روز در زیر هود باقی می‌ماند. بعد از تبخیر کامل تولوئن نمونه‌های کامپوزیت در زیر پرس گرم در دمای160 درجه سانتیگراد برای مدت زمان 15 دقیقه تحت فشار 500 کیلو پاسکال قرار گرفته و فیلم نازکی از کامپوزیت با ضخامتی حدود 3/0 میلی‌متر به دست می‌آید. نمونه‌های لاستیک طبیعی نیز طبق روش بالا به طور دقیق و بدون افزودن نانولوله‌های کربنی آماده می‌شود. تمام نمونه‌ها به‌صورت نوار‌های باریکی با عرض چهار میلی متر و طول 15 میلی متر و ضخامت 3/0میلی‌متر برای تست کشش برش داده می‌شوند. خصوصیات مکانیکی نمونه‌های لاستیک طبیعی و نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در دمای اتاق را دستگاه مکانیکی دینامیک آنالیزی در حالت استاتیک و با سرعت تخریب شش میلی متر بر دقیقه اندازه‌گیری میکند و در پایان سه نمونه برای هر مورد آماده و مورد آزمایش قرارمی گیرد. منحنی تنش-کرنش و مدول کشسانی مطابق با نسبت 50 درصد افزایش طول به حالت اولیه برای نمونه‌ها، مورد محاسبه قرار می‌گیرد. در این آزمایش نور لیزر 785 نانومتر به عنوان نقطه نورانی بر سطح نمونه به ضخامت دو میکرو متر تابیده می‌شود.
3. نتایج و بررسی
با وجود این که 25/0 درصد وزنی از شبکه لاستیک طبیعی ، در این آزمایش را نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره تشکیل می‌دهند، ضخامت کم نانولوله‌های کربنی تک دیواره در سیستم باعث افزایش تعداد نانولوله‌ها در سیستم می‌شود. تمام نمونه‌های کامپوزیت نسبت به نمونه‌های لاستیک طبیعی رنگ تیره‌تری دارند. در ابتدای مطالعه، حضور نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره باعث تغییر در خصوصیات مکانیکی لاستیک طبیعی می‌شود. با وجود جهت‌یابی تصادفی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در فیلم به دست آمده، جهت‌یابی نمونه نوارها در اندازه‌گیری‌های مکانیکی هیچ گونه تفاوتی در نتایج به دست نمی‌دهد.
3-1. نتایج تست‌های مکانیکی
منحنی‌های تنش –کرنش برای لاستیک طبیعی و کامپوزیت در شکل (1) نشان داده شده است. هردو نمونه لاستیک طبیعی و کامپوزیت بیش از 1200 درصد ازدیاد طول را نشان می‌دهند. به‌دلیل پایداری نانولوله‌های کربنی از لحاظ شیمیایی، بر هم کنش بین نانولوله‌های کربنی و مولکول‌های لاستیک به صورت در هم پیچیده و بدون ایجاد پیوند انجام می‌شود. با توجه به محدوده تغییر شکل گوسین (Gaussian) برای مولکول‌های لاستیک طبیعی این برهم‌کنش‌ها به صورت پایدار و وابسته به تغییر شکل هستند. شکل (1) منحنی تنش-کرنش برای لاستیک خالص و کامپوزیت و شکل درگیری نانولوله‌های کربنی با زنجیره لاستیک را نشان می‌دهد.
نسبت ابعاد بزرگ نانولوله‌های کربنی ایجاد زنجیره‌های مولکولی بزرگی در کامپوزیت ایجاد می‌کند. که باعث ایجاد درهم پیچیدگی و اتصالات عرضی فیزیکی در شبکه مولکولی کامپوزیت در مقایسه با لاستیک طبیعی می‌شود. در نتیجه ولکانیزاسیون نمونه کامپوزیت که دارای اتصالات عرضی فیزیکی بیشتری نسبت به نمونه لاستیک طبیعی است به طور اختصار در شکل (1) نشان داده شده است. اگر چه هنوز هیچ مدرکی دال بر واکنش شیمیایی بین نانولوله های کربنی تک دیواره و شبکه لاستیک طبیعی وجود ندارد. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی اتصالات عرضی حلقه، نقش مهمی در شروع واکنش تخریب دارد و نمونه‌های کامپوزیت مدول بالاتری نسبت به لاستیک طبیعی دارند. وقتی که سرعت تخریب افزایش می‌یابد، بعضی از اتصالات عرضی با قرار گرفتن زنجیره پلیمری بر روی نانولوله‌های کربنی از بین می‌روند. شکل (1) ناحیهB این موضوع را نشان می‌دهد. شکل (2) میزان نسبت کشیدگی برای نمونه‌های لاستیک طبیعی و کامپوزیت س در برابر غلظت‌های مختلف گوگرد را نشان می‌دهد.
3-2. تحلیل ولکانش از طریق طیف‌بینی رامان
پس از کشف نانولوله‌های کربنی تک دیواره طیف‌بینی رامان برای توصیف حد واسط‌های پلیمر/نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره استفاده شده است. سیگنال رامان در سیستم پلیمر نسبت به فقط یک اثر نقطه‌ای در اطراف خود نانولوله‌ها یک اثر میانگین ایجاد می‌کند. وضعیت در نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در مواجهه با فشار و کشیدگی، یک انتقال طیفی بزرگ را نشان می‌دهد. در برخی از شبکه‌های پلیمری، پیک *D مربوط به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره ، یک انتقال رو به پایین تقریباً خطی را با کشش‌های تک‌محوری کشسان در هنگام تشکیل پلیمر نشان می‌دهد. پس از تشکیل محصول، هیچ تغییری در طیف رامان که نشان‌دهنده انتقال مؤثر فشار از شبکه به نانولوله است، مشاهده نمی‌شود. به هر حال نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره به عنوان حسگرهایی برای پی بردن به انتقالات پلیمری به‌وسیله طیف‌بینی رامان، بر مبنای این واقعیت که برخی از انتقالات پلیمری به انواع ویژه ای از جنس در پلیمر‌ها بستگی دارد، استفاده شده است. شکل (3) طیف‌های رامان مربوط به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و کامپوزیت بزرگنمایی شده مربوط به پیک را نشان می‌دهد. موقعیت پیک *D در نانو لوله های تک دیواره اندازه‌گیری شده و به عنوان تابعی از مقدار گوگرد اضافه شده به شبکه لاستیک طبیعی، در شکل (4) نشان داده شده است. با توجه به پراکندگی کمی در داده‌ها به‌ویژه در محدوده میانگین میزان گوگرد، این پراکندگی ممکن است از منابع زیر باشد:
1. تجانس نداشتن شبکه کشسان طبیعی؛
2. ناخالصی در ترکیب شبکه لاستیک که می‌تواند اساساً مربوط به عوامل شتاب‌دهنده مثل اکسید روی، اسید استئاریک وباقی‌مانده در سیستم باشد؛
3. نبود تجانس بین نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره مثل تفاوت ضخامتSWNT، و فرم دسته‌ها. شکل(4a) تفاوت عدد موج پیک *D مربوط به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در شبکه لاستیک طبیعی در برابر مقدار گوگرد اضافه شده در طول واکنش ولکانیزاسیون را نشان می‌دهد. بنا براین نانولوله‌های حسگر رامان قادرند که تغییرات مربوط به اتصالات عرضی را در جریان فرایند ولکانش در لاستیک طبیعی به دست آورند.
4. نتیجه‌گیری
نتایج آزمایش‌های مکانیکی برای کامپوزیت برای لاستیک خالص روند یکسانی را نشان می‌دهد. در این آزمایش افزایش 25/0 درصد وزنی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره باعث افزایش مدول کشسانی کامپوزیت به میزان 20 درصد در شرایط ولکانیزاسیون یکسان و بدون از دست دادن خاصیت الاستیک نسبت به لاستیک طبیعی خالص خواهد شد. اگر چه استحکام و کشیدگی تغییری نمی‌یابد؛ رابطه بین جابه‌جایی عدد موج *D درنانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و میزان گوگرد اضافه شده به وسیله طیف‌بینی رامان برای کامپوزیت به دست آمده است. افزایش درجه ولکانش به وسیله افزایش مقدار گوگرد، باعث جابه‌جایی پیک *D مربوط به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره خواهد شد. مشاهدات نشان می‌دهد که حسگر‌های نانولوله به تراکم اتصالات عرضی لاستیک طبیعی حساس هستند و می‌توانند در ارزیابی فرایند ولکانش لاستیک استفاده شوند. از این روش می‌توان با استفاده از طیف‌بینی رامان برای تعیین میزان تشکیل اتصالات عرضی در مواد کشسان دیگر نیز استفاده کرد. برهم‌کنش‌های قوی‌ترین نانولوله‌ها و لاستیک طبیعی ، اثر مهمی بر کشش‌های بزرگ‌تر می‌گذارد. زمانی که پیکربندی زنجیری غیر گوسیان وجود داشته باشد، کار‌های تکمیلی با نانولوله‌های اصلاح سطحی شده، برای مقایسه با نتایج نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره معمولی به‌منظور تعیین کمیت تأثیر افت نانولوله‌ها و عوامل محدود کننده در افت نانولوله‌ها، مورد نیاز است.
منابع : http://nano.ir/
www.magiran.com
http://www.irche.com/

تأثیر پیشرفت‌های فناوری نانو بر دارو رسانی

تأثیر پیشرفت‌های فناوری نانو بر دارو رسانی

برآورد هزینه ارائه و کشف یک داروی جدید به بازار مصرف بین 500 میلیون تا 5/1 میلیارد دلار تخمین زده شده است. مهمترین علت این رقم سرسام‌آور، تعلل و توقف داروها در مرحله آزمایشات بالینی و احیاناً طی مطالعات بعد از ورود به بازار (post marketing) می‌باشد. علی‌رغم، آنکه پیشرفت‌های جدید امکان دسترسی محققین را به دسته ترکیبات داروئی نوین فراهم می‌نماید، معذالک اکثر متخصصین داروسازی به دنبال یافتن راه‌هایی هستند تا از طریق آن داروها را به دقت به‌ محل اثر اصلی خود برسانند تا بیشترین اثر درمانی آن ها بروز نماید.
در حال حاضر اکثر داروها از طریق جذب سیستمیک به محل اثر خود ارائه می‌شوند . پایه‌های این نگرش بر این مبنا است که اگر مقدار کافی از دارو وارد سیستم گردش خون شود، بالاخره مقداری از آ ن به محل اثر خود اعم از اینکه محل اثر در بافت ، عضو و یا سلول‌ ‌باشد خواهد رسید . به طور مثال برخی از داروهای ضد سرطان از این طریق بر روی سلول های در حال تقسیم تأثیر می‌گذارند ، اما در همان حال ممکن است به سلول های سالم نیز به نوعی مانند سلول های سرطانی آسیب برسانند . البته برای مواجه با این مشکل و کاهش هزینه‌های مربوط به ارائه داروهای جدید، می‌بایستی که آنها را به طور اختصاصی بر روی اهداف تعیین شده طراحی نمود. در مواردی حتی دارو را به آنتی بادی اختصاص ی سلول گرفتار موردنظر متصل می‌نمایند تا داروی پیوند یافته بتواند به راحتی مسیر اتصال خود به سلول های هدف را به طور اختصاصی پیدا کند. برخی از محققین نیز نقاط ورودی را در مسیر متابولیکی بیماری ها پیدا کرده اند و بر مبنای آن داروها را طراحی و ارائه می‌نمایند ، اما آیا راه اختصاصی وجود دارد تا بتواند حتی یک مولکول دارو را به طور ایده آل به هدف خود متصل نماید؟

نگاه ریزتر

برای مواجه و مقابله با یک چنین مشکلاتی، بسیاری از محققین خود را در مسیر فناوری نانو قرار داده‌اند. قطع نظر از سایز و شکل ذرات که اغلب می‌بایستی کمتر از 100 نانومتر باشد، نانو سامانه‌های نوین داروسازی (Nano DDS) روش های هدف‌گیری شده‌ای را برای ارائه مقادیر بیشتر از مواد داروئی به مناطق هدف در اختیار قرار می‌‌دهند. با درنظر گرفتن اینکه ، البته با ارائه فقط یک متد نمی‌توان ک لیه مشکلات ف ارماکوک ی نت ی ک را برطرف نمود،‌ اما معذالک می‌بایست اذعان ن م ود که ارائه این نوع ذرات خیلی از مشکلات توزیع در بدن را حذف و یا کاهش می‌دهد. به دلیل اینکه اکثر داروها دارای خواص هیدروف وبی ک (لیپوفیل) هستند ، بنابراین در غلظت‌های زیاد در بافت تمایل به رسوب دادن پیدا می‌کنند و برای برطرف کردن این اثر می‌بایستی که همراه آنان مواد جانبی زیادی در فرمولاسیون‌ها به کار روند و لذا س میت‌های بافتی زیادی در این موارد حاصل می شود. برای مقابله با این مشکل، نانو سامانه های نوین دارورسانی زیادی که دارای خواص آبدوستی و یا ل یپوفیل باشند طراحی شده است. در برخی از موارد خیلی از داروها سریع تجزیه و به سرعت از اد ر ار دفع می‌شوند. در این موارد تغییرات فیزیکوشیمیایی می تواند سبب افزایش فراهمی زیستی داروها ‌شود و در نهایت سبب کاهش نیاز به تجویز دارو در اندازه‌های کمتری ‌شود. مطالعات نشان داده است که انکپسول نمودن مواد داروئی تأثیر زیادی در مهار ک لیرنس دارو ها از بدن می‌گذارد.مشکل دیگری که در مورد داروهای سیتوتو کسی ک وجود دارد ، مورد تهاجم قرار گرفتن سایر بافت ها توسط این نوع داروهاست (Extravasation) . با به کارگیری انواع پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر در سامانه‌های nanoDDS بر این مشکل نیز می‌توان تا حدی فائق آمد. در هر صورت به دلیل آنکه سامانه‌های nanoDDS می‌توانند حجم توزیع مربوط به داروها را بدن کاهش دهند، لذا عوارض جانبی داروهای مورد مصرف با این سامانه‌ها نیز کاهش می‌یابد. علی‌رغم مکانیسم هدف‌گیری شده این نوع دارورسانی که در بالا توضیح داده شد، نسبت مولکول دارو به مولکول هدف می‌بایستی 1 به 1 باشد . اما سامانه‌های nanoDDS می‌توانند صدها و یا هزاران مولکول از دارو را با خود حمل نمایند و این نسبت را افزایش دهند و در نهایت سبب ارائه یک نوع رهش کنترل شده و طولانی‌تر به درون بافت هدف شوند . بنابراین به علت کاهش دوز مورد نیاز، این نوع دارورسانی مناسب تر خواهد بود .

داروها در ذرات حامل

بدون شک با پیشرفت‌های اخیری که در زمینه صنعت پلی‌مر و شیمی سطح در کنار سایر روش‌های صنعتی نمودن فراهم شده است، کانون توجه در فناوری دارورسانی ، در زمینه طراحی و کاربرد ذرات نانو باشد.
در این عرصه از ساختمان‌های مولکولی با هسته سرامیکی و یا فلزی تا کمپلکس‌های ذرات لیپد ـ پلیمر همگی توانائی خود را برای داروسازی به اثبات رسانیده‌اند . بطور مثال شرکت Nano Med pharmaceuticals تمامی تلاش خود را بر روی دارو رسانی به مغز و همچنین به سیستم ایمنی معطوف داشته است. بنا به گفته مسؤولین این شرکت، محققین آنجا توانسته‌اند نانوذرات با طبیعت خنثی، کاتیونیک و یا آنیونیک را از ذرات شیمیایی که عمدتاً دارای خواص داروئی هستند طراحی و تولید کنند. این ذرات حاوی فرآ ورده هائی از نوع الکل‌های با زنجیره طولانی، فسفولیپیدها و مواد فعال کننده سطحی هستند. آنها توانسته‌اند این داروها را به صورت انکپسول شده و یا به صورت جذب شده بر روی ذرات نوعی ماتریک س طراحی شده در سایز نانو سوار نمایند و این مجموعه را در اختیار سلول‌های هدف قرار دهند. در دارو رسانی به سیستم اعصاب مرکزی (CNS) ، مشکل‌ترین بخش مربوط به عبور دارو از سد خونی مغزی BBB و رساندن دارو به بخش‌های مرکزی است. برای آنکه داروئی بتواند برای بیماری‌هائی نظیر سرطان مغز، سکته مغزی، آلزایمر و یا پارکینسون مؤثر شود ، می‌بایستی به راحتی بتواند از این سد خونی ـ مغزی عبور نماید. در حال حاضر 95% داروهای موجود این مشکل را دارند و لذا در این گونه موارد به طور مستقیم و با پذیرش مخاطراتی ، آنها را به درون مغز و یا مایع مغز ی- نخاعی تزریق می نمای ند و یا حتی در بعضی موارد به کمک کاشتنی‌ها (implants) دارو در مغز وارد می‌شود. در حال حاضر برخی از شرکت های داروئی توانسته‌اند نانو ذراتی را از داروها تهیه نمایند تا بدون برخورد با محدودیت عبور از سد خونی - مغزی بتواند دارو به طور طولانی اثر به بافت‌های مغزی برسند و در نتیجه عوارض سمیت و عوارض حاصل از دو زاژ بالاتر برطرف شود.
داروی paclitaxel که در موارد درمان سرطان مغز به کار می‌رود نیز توسط فناوری نانو به صورت ذرات نانو با قابلیت عبور از سد خونی ـ‌ مغزی تهیه و قابل ارائه است. در این مورد نیز نانو ذرات حاوی paclitaxel در مقادیر کمتر و با عوارض جانبی کمتر به درون مغز دارورسانی می‌شود. یک شرکت دیگر آلمانی به نام Nano Del Technologies با استفاده از جذب داروها بر روی سطح ذرات پلی سیانوآکر یلات توانسته است در راه ارائه فناوری نانو و دارو رسانی اقدامات عملی انجام دهد. آنها پس از سوار کردن دارو بر روی پلیمر در طی پلیمریزاسیون و سپس با مواد فعال سطحی مانند پلی سوربات 80 ذرات نانو را پوشش داده و امکان دارورسانی و رهش کنترل شده آن را فراهم می‌نمایند. البته این شرکت هنوز به درستی مکانیسم برداشت و انتخاب این ذرات توسط سلول ها را نتوانسته است به دست آورد و لکن شاید نوعی مکانیسم نفوذ به درون سلول (enodcytosis) مطرح باشد. به نظر میرسد که پلی سوربات 80 سبب تحریک آپوپروتئین E/B شده و آن هم باعث اتصال ذرات نانوحاوی دارو به لیپوپروتئین‌های گیرنده‌های سطحی مستقر در سطح سلول‌ها شود و به این صورت داروها در داخل ذرات به درون سلول های مغزی راه می‌یابند. علی‌رغم آنکه این شرکت هنوز در مرحله آزمایشات بر روی حیوانات است، مغذالک کارائی این سامانه در دارو رسانی ضد صرع ها ، ضد دردها و داروهای مؤثر بر اعصاب به اثبات رسیده است. این سامانه به طور جالبی برای دارورسانی doxorubicin که یک داروی مؤثر در سرطان مغز می‌باشد جواب داده است.
در حال حاضر این شرکت آمادگی همکاری مشترک با سایر شرکت های داروئی به م ن ظور انتقال امتیاز و ادامه همکاری را دارد.

روغن و آب

در حالیکه شرکت ها ی ی مانند NanoMed به دنبال طراحی سامانه‌هائی برای انکپسول کردن داروها و یا اتصال آنها بر روی ذرات نانو هستند، سایر شرکت ها سامانه ذراتی را فرموله می‌کنند که در آنها مولکول داروجزئی از ساختار مواد تشکیل دهنده باشد. به دلیل آنکه اغلب ساختارهای داروئی لیپوفیل هستند،‌ لذا این دسته از ذرات نانو می‌بایستی که در داخل امولس ی ون‌های روغن ـ آب عرضه شوند. به طور مثال محققین شرکت Kereos ذراتی را عرضه کرده‌اند که از پرفلوروکربن‌هائی (perfluorocarbones) تشکیل شده است . البته این ذرات از نظر داروسازی بی‌تأثیر هستند و آنها را با لایه‌های لیپیدی پوشش داده‌اند. در حقیقت لایه لیپیدی یک محل اتصال نانوکووالانت مناسبی را برای اتصال عوامل لیپوفیل مانند برخی از مولکول های کوچک و آ‌نتی‌بادی‌ها فراهم می‌کند.
هر یک از ذرات داخل امولس ی ون که حاوی 10 الی چند صد مولکول لیگان د هدف هستند می‌توانند با مولکول‌های زیستی یا بیومارکرها اتصال برقرار نمایند. هر یک از این ذرات می‌توانند با تعداد زیادی حتی 000/100 مولکول از موادی که روی آ ن سوار شده اند همراه شوند و به طور فوق العاده اختصاصی به مولکول هدف برسند. این تعداد از مولکول های مواد دارو ی ی در مقایسه با سایر روش‌ها که برای دارورسانی آنها می‌بایستی مقدار زیادی از مواد تجویز شونده بسیار جالب و متمایز است. شرکت Kereos این سامانه از نانو ذرات را برای کاربرد در تصویربرداری رز و نانس مغناطیسی (MRI) و در ارتباط با دارورسانی برای کاربرد داروهای قلبی و ضدسرطان پیشنهاد داده است در غالب نظریه ، این مواد پس از اتصال اختصا صی به مولکول‌های سرطانی می‌توانند زمینه موجود در تصاویر مربوط به MRI را تشکیل دهند، که از حیث ک اربرد ، این مواد در مراحل اولیه ایجاد سرطان‌ها به امر تشخیص و درمان کمک می‌کند. در بیماری های قلبی عروقی، پیشگیری از تشکیل پلاک آترواسکلروزین که ریشه خیلی از بیماری های قلبی عروقی است و همچنین سبب حملات قلبی می‌شود بسیار مهم است.
Bristol-Myers Squibb توانسته است کاربرد این نوع ذرات نانو را در تشخیص پلاک‌های اولیه به اثبات برساند و از سال 2007 در مرحله مطالعات بالینی در عرصه درمان نیز این شرکت امولس ی ون‌ه ای ی را برای عرضه داروهای مؤثر بر تومورهای جامد ارائه کرده است که تا سال 2006 در مرحله بالینی قرار خواهند گرفت.

فلورن ها ( Fullerenes )

محققین مؤسسه C Sixty از ماکرو مولکول های درمانی به صورت فلورن ها استفاده می‌کنند. در حقیقت این مولکو ل های غول‌پیکر دارای 20 الی 84 کربنه هستند و از نظر ساختاری شبیه توپ فوتبال هستند و به عنوان آنتی - اکسیدان و دارای قدرت جذب رادیکال های آزادی هستند که در طی بیماری هائی مانند بیماری های اعصاب، حملات قلبی و دیابت افزایش می‌یابند. انواعی از مواد دارای اکسیژن فعال و رادیک ا ل‌های آزاد موجود هستند که می توانند الکترون‌های غیرمزدوج خود را در تماس با مولکول‌های حیاتی مانند اسیدهای نوکلئیک قرار ‌دهند و به این وسیله سبب تخریب سلولی و مرگ سلول (apoptosis) ‌شوند. محققین C Sixty معتقدند که فلورن ها به صورت یک "اسفنج رادیکالی" عمل می‌کند و می‌تواند که الکترون های تخریب شده را در میان بگیرد.
در عمل فلورن ها در آب نامحلول هستند لذا لازم است تا به نوعی محلولیت آنها افزایش یابد. این شرکت توانسته است فلورن ها را ب ه کمک اسیدمالونیک اصلاح ساختار نماید و تولید ماده‌ای به نام C3 را بنماید که به طور مؤثری در بیماری تخریب اعصاب مؤثر است. بعدها دسته ترکیباتی به نام دندریمر ها تهیه شدند که این مواد شاخه‌دار بزرگ می‌توانستند خواص محلولیت در آب را افزایش دهند. این امر منجر به تهیه ترکیباتی شد که رفتار فارماکوکینتیک و توزیع در بدن مانند مولکول های کوچک را داشتند. این شرکت مجوز یکی از فرآورده های خود را به شرکت Merck داده است.

لیپوزوم‌ها

لیپوزوم‌ها در دارورسانی با استقبال زیادی روبرو شده‌اند. این مواد می‌توانند به طور کروی مواد داروئی را دربر گر فته و احاطه نمای ن د. تاکنون بسیاری از ترکیبات از جمله ضدسرطان‌ها و آنتی بیوتیک‌ها توسط لیپوزوم‌ها مورد استفاده قرار گرفته اند . در مقابل نیز شرکت‌هائی مانند Anosys وجود دارند که توانسته‌اند از لیپوزوم‌ها به صورت حامل‌های دارو ی ی استفاده نمایند. اغلب سلول ها برای انتقال پیام و سیگنال مهم خود به سلول دیگر از حامل‌هائی به نام dexosome ها استفاده می‌کنند. در سیستم ایمنی ، این سلول های دندانه‌دار ، آنتی‌ژن‌ توم و رها و عوامل ویروس ی و عفونت ز ا را حس می‌کنند و این پیام را به سطح سلول منتقل می‌نمایند. در آنجا این پیام توسط سلول های T مورد شناسائی واقع می‌شود و سپس سلول های شناخته شده به عنوان آنتی‌ژن را نابود می‌سازد. شرکت Anosys توانسته‌اند با شناسایی dexosome هائی ، واکسن‌هائی را تهیه نمایند که به کمک آنها مولکول‌های هدف را در سیستم ایمنی مورد شناسائی قرار دهند. در حقیقت این شرکت توانسته است dexosome های مصنوعی برای هدف قراردادن سرطان را بسازد. محققین Anosys به کمک این روش خواهند توانست نوعی ایمنی اکتسابی بر علیه انواعی از سرطان‌ها ایجاد نمایند. این شرکت فاز I مطالعات بالینی مربوط به این روش را پشت‌سرگذاشته و به زودی در فاز II مطالعات قرار خواهد گرفت.

اهمیت اندازه ذرات

قطع نظر از اینکه آیا تحقیقات مذکور در حد فرمولاسیون خواهند ماند و یا به صورت دارورسانی توسط ذرات انجام خواهد پذیرفت، معذالک می‌بایست اذعان نمود که روش های فناوری نانو مسیر خود را ادامه خواهند داد.
به عقیده کارشناسان البته اندازه کوچک ذرات بسیار مؤثر است به طوریکه در زیر 100 نانومتر، ذرات قابلیت های جالبی از نظر خواص شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیک بدست می‌آورند.

دارورسانی با نانوسوسپانسیون‌ها، فناوری و کاربردها

داروهای نامحلول با جذب کم را به کمک فناوری نانوسوسپانسیون‌سازی می‌توان به فرمولاسیون‌های دارویی کارآمد تبدیل کرد. قسمت اعظم ترکیبات شیمیایی جدیدی که به منظور ساخت داروهای جدید سنتز می‌شوند، نامحلول و یا کم‌محلول در آب هستند و بنابراین جذب کمی نیز دارند و این مسئله مانع بزرگی در برابر ساخت فرمولاسیون‌های کارآمد از این ترکیبات بشمار می‌رود. استفاده از روشهای کمپلکس‌سازی با استفاده از موادی مانند سیکلودکسترین‌ که در این روشها مقدار زیادی از این عوامل بکار می‌رود در فرمولاسیون‌هایی مانند فرمولاسیون‌های تزریقی و چشمی که نیاز به استفاده از مقادیر زیادی دارو در ساخت فرمولاسیون می‌باشد، مناسب نیستند. در روشهای مرسوم دیگر که در آن‌ها از کمک‌حلال‌ها استفاده می‌شود نیز مسمومیت بروز می‌کند. نانوسوسپانسیون‌ها راه‌حل جدیدی برای استفاده از این داروها ارائه کرده‌اند. نانوسوسپانسیون‌ها نوعی توزیع کلوئیدی ذرات خالص داروها در اندازه‌های کوچکتر از میکرون می‌باشند که با استفاده از سورفکتانت‌ها پایدار شده‌اند. با این توضیح، این سیستم‌های ذره‌ای از نانوذرات که حاملهای کلوئیدهای پلیمری حاوی دارو هستند و از نانوذرات روغنی جامد که حامل‌های روغنی دارویی می‌باشند، متفاوت هستند. از نانوسوسپانسیون‌ها برای فرمولاسیون داروهایی که هم در آب و هم در روغن‌ها نامحلول هستند نیز می‌توان استفاده کرد. داروهایی که انرژی بلوری بالایی دارند، نقطه ذوب بالا داشته و حلالیت آن‌ها کاهش می‌یابد. استفاده از فناوری نانوسوسپانسیون‌ها باعث فراهم آمدن امکان استفاده از این داروها بدون نیاز به استفاده از کمک‌‌حلالها می‌گردد. به کمک این فناوری دارو در حالت بلوری مدنظر نگهداری شده، در حالی که اندازه ذرات آن کاهش یافته و این نکته باعث افزایش سرعت انحلال و افزایش جذب دارو می‌گردد. در حقیقت نانوسوسپانسیون‌ها باعث ایجاد فرآورده‌های پایدار از لحاظ شیمیایی و فیزیکی می‌گردند. این فراورده‌ها را به دو روش کلی رسوب‌گذاری و آسیاب‌کردن می‌توان تهیه کرد. در هر دو مورد سطوح جدید تشکیل شده و انرژی آزاد سیستم افزایش یافته و امکان تجمع ذره‌ای و گلوله‌شدن ذرات فراهم می‌شود که برای جلوگیری از این مسئله به آن سورفکتانت اضافه می‌کنند.

روشهای ساخت نانوسوسپانسیون‌ها

هموژناسیون: در این روش سوسپانسیون تحت فشار از یک دریچه دارای منافذ نانو عبور داده می‌شود. این کار باعث تشکیل حبابهایی از آب شده که هنگام خروج از دریچه‌ها متلاشی شده و باعث شکسته شدن ذرات می‌گردند.
آسیاب‌کردن مرطوب (Wetmilling): در این روش داروی مورد نظر در حضور یک سورفکتانت به‌کمک آسیاب خرد می‌شود.از روشهای دیگر، اسپری کردن محلول دارویی حاوی حلال آلی فرار درون یک محلول آبی گرم می‌باشد. در روش تبخیر سریع حلال، رسوب دارویی در حضور یک سورفکتانت ایجاد می‌شود. روش تعیین مشخصات نانوسوسپانسیون‌ها: برای مطالعه میزان رشد ذره‌ای در نانوسوسپانسیون‌ها از روش Field emission low voltage scanning electron استفاده می‌شود. با این روش امکان تصویربرداری از ذرات منفرد فراهم می‌شود. روش تصویربرداری نیروی اتمی برای ارزیابی شکل ذره استفاده می‌شود. ارزیابی سرعت رسوب‌گذاری نزدیک مادون قرمز و کنترل همزمان اندازه ذره‌ای با استفاده از روشهای Differential scanning calorimetry و X ray diffraction polymorph stability قابل انجام است. توزیع اندازه ذره‌ای به روش Thawcycling و تلاطم مکانیکی و سانتریفوژ قابل اندازه‌گیری است. علاوه بر آن، امکان تزریق و همچنین استریل بودن و پیروژن بودن (فاقد هرگونه عامل تب‌زا) نانوسوسپانسیون‌ها نیز بایستی مورد بررسی قرار گیرد.
بررسی پایداری نانوسوسپانسیون‌ها: عدم تغییر ساختار بلوری بین ماده خام و ذرات سوسپانسیون شده قبل و بعد از هموژناسیون موید عدم بروز هرگونه تغییر است. فرمولاسیون‌های ناپایدار را می‌توان لیوفیلیزه کرد و می‌توان نانوسوسپانسیون‌ها را بدون هیچگونه تغییری در اندازه ذره‌ای دوباره ساخت. هیچ‌گونه تغییراتی حتی بعد از استریلیزاسیون با بخار و استفاده از گرما در این فرمولاسیون‌ها بروز نمی‌کند. به این ترتیب پایداری فرمولاسیون نانوسوسپانسیون‌ها را تا دو سال می‌توان افزایش داد.
کاربرد نانوسوسپانسیون‌ها: از نانوسوسپانسیون‌های خوراکی بطور اختصاصی برای افزایش سرعت و میزان جذب داروها استفاده شده است. علاوه بر آن افزایش سرعت اثر داروها، کاهش دفع دارو، افزایش دوز موثر دارو و کاهش تحریک‌پذیری معده نیز گزارش شده است. برای دارورسانی به ریه‌ها، افشانه‌ها دارای ذرات ریز دارویی می‌باشند اما از مشکلات این سیستمهای دارورسانی توزیع ناهمگون ذرات دارویی در قطرات حامل آن‌ها است. نانوسوسپانسیون‌ها این مشکل را با افزایش تعداد ذرات در هر قطره برطرف ساخته‌اند و به این شکل سرعت اثر داروها و میزان جذب آن‌ها نیز افزایش یافته است. از نانوسوسپانسیون‌ها برای انتقال مقادیر زیادی از داروهای کم محلول در آب به مغز همراه با کاهش عوارض جانبی داروها نیز می‌توان استفاده کرد. به این ترتیب، نانوسوسپانسیون‌ها در انواع مختلف روشهای تجویز داروها از جمله: روشهای تزریقی، خوراکی، موضعی، ریوی و انتقال هدفمند دارویی کاربرد دارند. در مجموع، نانوسوسپانسیون‌ها نه‌تن‌ها مشکل حلالیت داروها را برطرف کرده‌اند بلکه با تغییر فارماکوکینتیک داروها، باعث بهبود کارایی و عوارض جانبی آن‌ها نیز گردیده‌اند.

فاکتورهای مؤثر بر اکتشافات دارویی مبتنی بر فناوری نانو

شرکت‌های داروسازی و فناوری زیستی به منظور تولید مداوم داروهای جدید و متفاوت با حداقل قیمت تمام‌شده، به شدت تحت فشار می‌باشند. در حال حاضر حدود 7 تا 10 سال برای توسعه و ورود یک دارو به بازار، با هزینه‌ای بالغ بر 800 میلیون دلار لازم است. به عبارت دیگر اکتشاف دارویی نیازمند شناسایی بیماری‌ها، مکانیسم‌ آنها و شناسایی هدف مورد نظر (جهت مؤثربودن دارو) است. انتظار می‌رود پروژة ژنوم انسانی منجر به شناسایی حدود 100،000 هدف جدید شود که نیازمند بررسی منابع بیشمار اطلاعات ترکیبات مختلف به منظور مقایسة توالی ژن‌ها و ساختارها است.
این مسئله نشان‌دهندة یک فرآیند بسیار وقت‌گیر و مانع اساسی در زمینة اکتشافات دارویی است چرا که میلیون‌ها ترکیب برای هر هدف بایستی به طور مجزا غربال شوند. اکتشافات نو و فناوری‌های جدید ارزیابی به روند شناسایی، توسعه و ورود داروها به بازار سرعت می‌بخشند. ورود فناوری‌ میکروآرایه‌ها و آزمایشگاه روی تراشه باعث تسریع روند اکتشافات دارویی شده است. در حالی که دانشمندان در گذشته فقط قادر به مطالعه یک تا 12 ژن به طور هم‌زمان بودند، در حال حاضر در همان محدودة زمانی فناوری میکروآرایه‌ها امکان بررسی هزاران ژن را فراهم کرده است. امروزه فناوری نانو به دلیل داشتن عملکردی در اندازه‌های بسیار کوچک‌تر، به صورت تصاعدی قادر به ارائه عملکردی فراتر از میکروآرایه‌های امروزی است. فناوری نانو قادر به تسریع و بهبود روندهای اکتشافات دارویی از طریق کوچک‌سازی، خودکار‌سازی و افزایش سرعت و صحت ارزیابی‌ها می‌باشد. در نگاه اول به نظر می‌رسد که داروهای مبتنی بر نانو، مزایای ویژه‌ای نیز برای افراد مریض به همراه خواهند آورد.
تأثیر فناوری‌نانو بر صنایع داروسازی در سال 2000، شرکت داروسازی Elan از طرف سازمان دارو و غذای آمریکا تأییدیه فناوری تولید نانوبلور‌های خود را با انجام فرمولاسیون مجدد داروی Rampune® یا سیرولیموس به دست آورد. این فرمولاسیون جدید با کاهش اندازة ذر‌ات به زیر 200 نانومتر توانست مشکل حلالیت خیلی پایین دارو را حل کند. شاید مهم‌ترین مزیت این فرمولاسیون جدید افزایش زمان نگهداری آن نسبت به محصول قدیمی می‌باشد. علاوه بر مثال فوق موارد دیگری را نیز جزء مزایای استفاده از فناوری نانو در داروسازی ذکر کرده‌اند:
افزایش حلالیت: از مزایای عمدة سیستم‌های دارورسانی مبتنی بر نانو، تاثیر سریع آنهاست. این مسئله تاحدودی مربوط به فناوری‌های کپسوله‌‌کردن و به دنبال آن افزایش سرعت انحلال ماده در مایعات بدن است. در همین راستا می‌توان به این نکته اشاره کرد که ذرات 10 میکرونی سطحی معادل 2 تا 5 مترمربع به ازای هرگرم دارا می‌باشند در حالی که نانوذرات 3 تا 5نانومتری دارای سطحی معادل 400 تا 500 مترمربع به ازای هرگرم می‌باشند. شرکت داروسازی Elan روش‌ روکش‌دهی پیشرفته‌ای را دارا می‌باشد که از کنترل گسترده‌ای بر روی این نوع ذرات برخوردار است.
کاهش هزینه‌های توسعه: تحقیق و توسعه فناوری نانو نیازمند روش‌های جدید آنالیز می‌باشد. توسعة این روش‌ها و تجاری‌شدن آنها باعث افزایش بازده و بهبود وضعیت صنعت دارورسانی خواهد گردید. از آن جمله شناساگرهای زیستی مبتنی بر نانوذرات می‌باشند که در تست‌های بررسی کارآیی و میکروآرایه‌ها کاربرد دارند. برخی شرکت‌ها از نانوبلور‌ها (معمولاً ژرمانیوم و سیلیکون) برای نشان‌دارکردن فلورسانت مواد استفاده می‌کنند در حالی که امروزه شرکت‌هایی چون Evident technologies, Quantom dots و Kereos از مزایای ویژة نقاط کوانتومی برای تحقیقات خود استفاده می‌کنند.هدفمندسازی بیشتر: افزایش کارآیی داروها نسبت به دوز در سیستم‌های دارورسانی مبتنی بر نانو نیاز کلی مصرف دارو را کاهش می‌دهد و احتمالاً باعث کاهش هزینه‌ها و عوارض ناخواسته در بدن می‌شود. به عنوان مثال شرکت ALZA سیستم نانوذره‌ای لیپیدی ویژه‌ای با یک روکش پلی‌اتیلن گلیکول موسوم به Stealth® ارائه کرده است. این فناوری قادر است برخی از پاسخ‌های سیستم ایمنی را رد کند. به این ترتیب انتقال دقیق داروها به اهداف مدنظر ممکن می‌شود. Doxil® اولین محصول موجود در بازار است که در ساخت آن از این فناوری برای درمان سرطان تخمدان استفاده شده است. از دیگر روش‌ها می‌توان به انتقال نانوذرات روکش‌ شده با مواد مغناطیسی به بافت مورد نظر با کمک یک میدان مغناطیسی خارجی اشاره کرد. سودمندی بیشتر برای بیماران: از دیگر مزایای فناوری نانو که باعث تقویت صنایع داروسازی می‌شود، مشتری‌ها هستند. داروهای مبتنی بر فناوری نانو شاید پاسخی به نیاز روزافزون به مصرف راحت‌تر داروها باشند. به عنوان مثال چندین داروی جدید برای انتقال به ریه فرمولاسیون می‌شوند، که الزاماً بافت ریه محل اثرگذاری آنها نیست. در همین زمینه شرکت‌های داروسازی Nektar و Pfizer اخیراً فاز سه سیستم انتقال ریوی انسولین خود را به پایان رسانده‌اند.

عوامل توسعة اکتشافات دارویی مبتنی بر نانو

همکاری شرکت‌های داروسازی و شرکت‌های تولید وسایل و شرکت‌های ارائه‌دهندة خدمات فناوری نانو
توسعة سریع شرکت‌های نوپا در فناوری نانو
انجام پروژه‌های بی‌شمار تحقیقاتی فناوری نانو در مراکز دانشگاهی
افزایش سرمایه‌گذاری‌های دولتی در زمینة تحقیقات و فناوری نانو
شرایط زندگی غیرسالم که منجر به بروز بیماری و درنتیجه نیازمند درمان می‌شود.

علاقة صنعت و سرمایه‌گذاران

نقش فعال بیماران در انتخاب درمان‌ها و بهبود فرمولاسیون‌ها براساس افزایش تقاضا
افزایش تقاضای پزشکان و بیماران برای درمان‌ها و تشخیص‌های جدید
افزایش جمعیت افراد مسن و بهبود درمان‌هایی که منجر به افزایش عمر اشخاص می‌شوند.

شناسایی ساختارهای جدید واجد خواص جدید

توسعة رایانه‌های قدرتمند و نرم‌افزارهای پیشرفته که برای شبیه‌سازی در زمینة طراحی داروهای هدفمند کارآیی دارند.
استفاده از فناوری‌ آرایه‌های ژنی و پروتئینی در اکتشافات دارویی و نیاز به شناسایی سریع اهداف مدنظر با استفاده از کمترین حجم‌ نمونه‌ها
یکی از عواملی که باعث تقویت تحقیق و توسعه در زمینة داروهای مبتنی بر نانو شده است جمعیت افراد مسن و تمایل کلی موجود در زمینة درمان بیماری‌هایی مانند ایدز، پارکینسون و سرطان است. هرچه جامعه بیشتر از مزایای پیشرفت‌های پزشکی بهره‌مند شود،‌ امید به زندگی بیشتر می‌شود. این نکته ‌علاوه بر کاهش نرخ رشد جمعیت، باعث تقاضاهای بیشتر در زمینة درمان‌های بهبودیافته شده‌ است. علاوه بر آن بیماری‌های مرتبط با افزایش سن مانند سرطان، دیابت و بیماری‌های عصبی نیز در حال ازدیاد می‌باشند. البته نیازمندی‌ها و تقاضای بیماران تنها عامل اجتماعی مؤثر در رشد اکتشافات دارویی مبتنی بر نانو نیست.

نتیجه گیری

با توجه به گسترش روز- افزون کاربرد فرآورده های نانو و استقبال صنایع دارویی سایر کشورها از این رویکرد، می بایستی تمامی ظرفیت های بالقوه این فناوری نوین در صنعت داروسازی کشور به درستی برآورد شود و تاثیر آن را در ایجاد تحولات کیفی و کمی مد نظر قرار داد. البته مطالعات اولیه ای که تاکنون انجام شده است نیز ضرورت استقبال از این رویکرد را تایید می نماید. لذا اهمیت انجام پروژه های نانو در مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی از ارزش بالایی برخوردار است. امید است که با انجام پژوهش های جدی و کاربردی ضمن ارزشیابی اهمیت به کار گیری نتایج حاصل از آنها، صنایع دارویی موجود در کشور بتوانند از دستاورد های آن در آینده استفاده نمایند.
منابع: http://www.irche.com
http://www.nano.ir
http://bioemm.com
http://www.ipt.ir

نانو بیوتکنولوژی

نانو بیوتکنولوژی

نانوتکنولوژی، چنان که از اسم آن برمی آید ، با اجسامی به ابعاد نانو سر وکار دارد . نانو تکنولوژی در سه سطح قابل بررسی است : مواد ، ابزارها و سیستم ها . در حال حاضر در سطح مواد ، پیشرفت های بیشتری نسبت به دو سطح دیگر حاصل شده است . موادی را که در نانو تکنولوژی به کار می روند نانوذره نیز می نامند . در دهه ی گذشته ، بیش تر پژوهش ها در مورد نانوذره ها روی خواص آن ها متمرکز بوده است . خواص فیزیکی وشیمیایی نانوذره ها به اندازه ی آن ها وابسته است و این موضوع برای دانشمندان جالب می بمود . اما در حال حاضر ، پژوهش های گسترده ای روی کاربرد این در حال انجام است .برای آن که تصویری ار ریزی نانوذره ها داشته باشیم ، بهتر است آن را با ابعاد سلول مقایسه نماییم . اندازه ی متوسط سلول یوکاریوتی 10 میکرومتر است . بدیهی است ، اندامک های سلول از این نیز ریزترند . از اندامک ها ریزتر ماکرومولکول ها هستند . اندازه ی متوسط یک پروتئین 5 نانومتر است که با ریزترین جسم ساخت دست بشر قابل مقایسه است .بنابراین می توان با به کار گیری نانوذره ها نوعی مامور مخفی به درون سلول فرستاد و به کمک آن ، از بعضی رازهای نهفته در سلول پرده برداری نمود . این ذرات آن قدر ریزند که تداخل عمده ای در کار سلول به وجود نمی آورند. پیشرفت در زمینه ی نانوبیوتکنولوژی نیازمند درک وقایع زیستی در سطح نانو است . از میان خواص فیزیکی وابسته به اندازه ی ذرات نانو ، خواص نوری ( اپتیکال ) و مغناطیسی این ذرات ، بیش ترین کاربرد های زیستی را دارند . استفاده از نانو تکنولوژی در علوم زیستی به تولد و گرایش جدیدی از این فناوری منجر شده است:

کاربرد های نانو بیوتکنولوژی:

کاربرد های نانوذره ها در زیست شناسی و پزشکی عبارتند از:
- نشانگرهای زیستی فلورسنت
- ترابری دارو و ژن
- تشخیص زیستی پاتوژن ها
- جست وجو در ساختار DNA
- مهندسی بافت
- تخریب تومور از طریق گرمادهی به آن (هیپرترمیا)
- جداسازی و خالص سازی مولکول های زیستی و سلول ها
- بهبود تباین (کنتراست)MRI
- مطالعات فاگوکینتیک

نشان گر های زیستی :

از آن جا که اندازه ی نانوذرات ، در محدوده ی اندازه ی پروتیین ها ست ، می توان از آن ها برای نشان دار کردن نمونه های زیستی استفاده کرد. برای این کار ، باید نانوذره بتواند به نمونه ی زیست هدف متصل شود و نیز راهی برای دنبال کردن و شناسایی نانوذره وجود داشته باشد.به منظور ایجاد میان کنش بین نانوذره و نمونه ی زیستی ، نانوذره را با پوششی بیولوژیکی یا مولکولی ، یا لایه ای که به عنوان میانجی زیستی غیر آلی عمل کند ، می پوشانند . آنتی بادی ها ، بیوپلی مرها مثل کلاژن ، یا تک لایه ای از مولکول های کوچک که نانوذره ها را از نظر زیستی سازگار می کند ، از جمله پوشش های بیولوژیکی نانوذره ها هستند. علاوه بر این ، از آن جا که از فناوری های نوری در پژوهش های زیستی به طور گسترده ای استفاده می شود ، می توان نانوذره ها را فلورسنت دار کرد یا خواص نوری آن ها را تغییر داد. نشان گر زیستی نانو ، نمونه ای از یک ( نانوزیست ماده ) است .نانوذره ها معمولآ در مرکز یک نانوریست ماده قرار می گیرند و بقیه ی اجزا روی آن ها قرار داده می شوند . هم چنین می توان از آن ها در شکل نانو – وزیکول استفاده کرد، یعنی نانو ریست ماده ای است که توسط غشا محصور شده است . غالبآ شکل این ساختار کروی است ، اما شکل های استوانه ای ، شبه صفحه و دیگر شکل ها امکان پذیرند. در بعضی موارد ، اندازه مهم است مثل هنگامی که نفوذ از درون ساختار منفذی از غشای سلولی مورد نیاز باشد. هنگامی که از اثرات اندازه ی کوانتومی برای کنترل خواص مواد استفاده می شود ، اندازه ی نانوزیست ماده در اوج اهمیت خواهد بود.کنترل دقیق بر اندازه ی متوسط ذرات ، امکان ایجاد کاوشگر های فلورسنت را که باریکه های نوری را در طیف وسیعی از طول موج گسیل می دارند ، فراهم می آورد . این امکان ، به تهیه ی نشان گرهای زیستی با رنگ های فراوان و قابل تشخیص کمک شایانی می کند. ذره ی مرکزی معمولآ توسط چندین تک لایه از موادی که تمایل به واکنش ندارند، مثل سیلیکا ، محافظت می شود . غالباً برای اتّصال اجزای کارامد به ذره ی مرکزی ، به لایه ای از لینکر نیاز است . این لینکرهای خطی ، در دو انتهای خود ، گروه های فعال دارند : یک گروه برای اتّصال به اجزای زیستی ، مثل آنتی بادی ها
آیا بیونانوتکنولوژی با نانوبیوتکنولوژی متفاوت است؟
با پیشرفت علم و تکنولوژی در جهان، مرتباّ بر تعداد واژه‌های تخصصی افزوده می‌شود. در این میان، گسترش علوم و تکنولوژی نانو و تعامل آن با بیوتکنولوژی، منجر به تولید و کاربرد واژه‌هایی چون بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی در گفته‌ها و نوشته‌های محققان مختلف در سطح جهان شده است. آشنایی محققان و سیاستگذاران علمی کشور با این واژه‌ها، می‌تواند آنها را در مطالعات و تصمیم‌گیری‌ها یاری کند. در این مطلب، سعی شده است با استفاده از منابع اینترنتی، مقالات و کتب موجود و همچنین استفاده از نظرات برخی متخصصین امر، تعاریف ساده‌ای از دو واژة بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی ارایه شود.

مفهوم و زمینة کاربرد بیونانوتکنولوژی

تلفیق بیوتکنولوژی با فناوری نوظهور نانوتکنولوژی، مباحث جدیدی را بین محققان، هم در سطح دانشگاهی و هم در حوزه صنعت به ‌وجود آورده است. نتیجة این تلفیق، ظهور " بیونانوتکنولوژی " به‌عنوان یک زمینة تحقیقاتی بین‌رشته‌ای است که به ‌سرعت در حال رشد و توسعه است و با مقوله علم و مهندسی در سطح مولکول ارتباط دارد.
برخی از صاحب ‌نظران، بیونانوتکنولوژی را به‌عنوان زیرمجموعه‌ای از نانوتکنولوژی، به این صورت تعریف کرده‌اند: " مطالعه و ایجاد ارتباط بین بیولوژی مولکولی ساختاری و نانوتکنولوژی مولکولی ". برخی دیگر، آن ‌را به‌عنوان زیر مجموعه‌ای از بیوتکنولوژی بدین شکل تعریف کرده‌اند: " به‌کارگیری پتانسیل بالقوة بیولوژی در ساخت و سازماندهی ساختارهای پیچیده با استفاده از مواد ساده و با دقت در حد اتم ". در این زمینه، تنها تفاوتی که بین بیونانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی وجود دارد این است که طراحی و ساخت در مقیاس نانو جزء لاینفک پروژه‌های بیونانوتکنولوژی است در حالی‌که در پروژه‌های بیوتکنولوژی، نیازی به فهم و طراحی در حد نانو نیست.
چنان‌که ملاحظه می‌گردد، برخلاف تعریف " بیوتکنولوژی" که به معنی فناوری استفاده از موجودات زنده و اجزای موجودات زنده در راستای نیازهای صنایع مختلف است و همچنین برخلاف تعاریف واژه‌هایی چون "بیومتریال" و "بیومکانیک" که معمولا به‌معنی استفاده از قابلیت‌های فناوری‌های "مواد" و یا "مکانیک" در کاربردهای زیستی است، در تعریف بیونانوتکنولوژی، هم کاربرد ابزارهای بیولوژیکی به‌عنوان سازمان‌دهنده و ماده اولیه جهت ساخت محصولات و مواد نانویی، مورد توجه است و هم کاربرد محصولات تولیدی تکنولوژی نانو، جهت مطالعة وقایع درون سلول‌های زنده و تشخیص و معالجة بیماری‌ها. آنچه مسلم است ظهور این زمینة تحقیقاتی، حاصل تغییر عقیدة بسیاری از محققان در استفاده از راهکارهای پایین به بالا ( Bottom-Up approach ) به جای استفاده از راهکار بالا به پایین ( Top-Down approach ) جهت ساخت وسایل و مواد بسیار ریز است. در راهکارهای بالا به پایین نانوتکنولوژی، سعی بر این است که وسایل موجود مرتبا کوچکتر شوند؛ به این راهکار، نانوتکنولوژی مکانیکی نیز گفته می‌شود. اما در راهکار پایین به بالا، هدف ایجاد ساختارهای ریز از طریق اتصال اتم‌ها و مولکول‌ها به‌یکدیگر است؛ در این راهکار از الگوهای بیولوژیکی بهره ‌گیری می‌شود.

محصولات و زمینه‌های فعالیت بیونانوتکنولوژی
برخی از محصولات و زمینه‌های فعالیت بیونانوتکنولوژی عبارتند از:

1- بیونانوماشین‌ها

مهمترین زمینة کاربرد بیونانوتکنولوژی، ساخت بیونانوماشین‌ها (ماشین‌های مولکولی با ابعادی در حد نانومتر) است. در یک باکتری هزاران بیونانوماشین مختلف وجود دارد. نمونه آنها، ریبوزوم‌ (دستگاه بسته ‌بندی پروتئین) است که محصولات نانومتری (پروتئین‌ها) را تولید می‌کند. از خصوصیات خوب بیونانوماشین‌ها (به‌عنوان مثال حسگرهای نوری یا آنتی‌بادی‌ها)، امکان هیبریدکردن آنها با وسایل سیلیکونی با استفاده از فرآیند میکرولیتوگرافی است. به این ترتیب با ایجاد پیوند بین دنیای نانویی بیونانوماشین و دنیای ماکروی کامپیوتر، امکان حسگری مستقیم و بررسی وقایع نانویی را می‌توان به‌وجود آورد. نمونه کاربردی این سیستم، ساخت شبکیة مصنوعی با استفاده از پروتئین باکتریورودوپسین است.

2- مواد زیستی ( Biomaterial )

کاربرد دیگر بیونانوتکنولوژی، ساخت مواد زیستی مستحکم و زیست ‌تخریب‌پذیر است. از جملة این مواد می‌توان به DNA و پروتئین‌ها اشاره نمود. موارد کاربرد این مواد، به‌خصوص در زمینة پزشکی متعدد است. از ‌جمله موارد کاربرد این مواد، استفاده از آنها به‌عنوان بلوک‌های سازنده نانومدارها و در نهایت ساخت وسایل نانویی ( Nano-Device ) است. همچنین به‌ دلیل خصوصیات مناسب این مواد از آنها در ترمیم ضایعات پوستی استفاده می‌شود.

3- موتورهای بیومولکولی

موتورهای بیومولکولی، موتورهای محرکه سلول هستند که معمولا از دو یا چند پروتئین تشکیل شده‌اند و انرژی شیمیایی (عموماً به شکل ATP ) را به حرکت (مکانیکی) تبدیل می‌کنند. از جمله این موتورها، می‌توان به پروتئین میوزین (باعث حرکت فیلامنت‌ها می‌شود)، پروتئین‌های درگیر در تعمیر DNA یا ویرایش RNA (به‌عنوان مثال، آنزیم‌های برشی) و ATPase اشاره کرد. از این موتورها در ساخت نانوروبات‌ها و شبکة هادی‌ها و ترانزیستورهای مولکولی (قابل استفاده در مدارهای الکترونیکی) استفاده می‌شود. از جمله زمینه‌های دیگری که از بیونانوتکنولوژی استفاده می‌شود، می‌توان به تکنولوژی دستکاری تک مولکول ( Single Molecule )، تکنولوژی Biochip و Drug Delivery ( ساخت نانوکپسول و نانوحفره)، تکنولوژی Microfluidics (به‌عنوان مثال، ساخت lab on a chip )، BioNEMS (ساخت پمپ‌ها، حسگرها و اهرم‌های نانویی)، Nucleic Acid Bioengineering (ساخت نانوسیم DNA و یا کاربرد در همسانه‌ سازی و ترانسفرمیشن)، Nanobioprocessing (خودساماندهی، دستکاری سلولی و تولید فرآورده‌های زیستی)، حسگرهای زیستی (ارزیابی ایمنی غذا و محیط ‌زیست) و Bioselective surface (مورد استفاده در تکنولوژی‌های جداسازی زیستی)، اشاره نمود.
نانوبیوتکنولوژی و رابطة آن با بیونانوتکنولوژی
اما نانوبیوتکنولوژی نیز واژه دیگری است که در سال‌های اخیر، محققان و صاحب‌نظران در کتب، مقالات و کنفرانس‌ها به‌ کار می‌برند. طبق تعریف برخی از این محققان، نانوبیوتکنولوژی، زیرمجموعه‌ای از نانوتکنولوژی است که در آن از ابزارها و فرآیندهای نانویی و میکرونی برای ساخت و تهیه محصولاتی استفاده می‌شود که در مطالعه سیستم‌های زنده استفاده می‌شوند . برخی دیگر از محققان، نانوبیوتکنولوژی را زمینه‌ای از نانوتکنولوژی می‌دانند که در آن از سیستم‌های بیولوژیکی موجود، همچون سلول، اجزای سلولی، اسیدهای نوکلئیک و پروتئین‌ها برای ایجاد ساختارهای نانویی تلفیقی (مرکب از مواد آلی و معدنی) استفاده می‌شود.اگر به مفهوم و هدف دو زیرشاخة نانوتکنولوژی یعنی بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی نگاه شود، می‌توان فهمید که اهداف هر دو شاخه (یعنی تولید محصولاتی که جهت مطالعة سیستم‌های زنده به ‌کار می‌روند) و همچنین فرآیندها و مقیاس فعالیت هر دو شاخه (یعنی مقیاس‌های در سطح نانو)، تقریبا یکسان است. بنابراین می‌توان این دو شاخه را به ‌صورت کلی با نام نانوبیوتکنولوژی نامید. منتهی زمانی که به‌طور صرف، از الگوها و مواد زیستی جهت ساخت وسایل در ابعاد نانو استفاده می‌شود، بهتر است پیشوند "بیو" مقدم بر پیشوند "نانو" بیاید. در این حالت، کاربرد واژه بیونانوتکنولوژی تخصصی‌تر از واژه نانوبیوتکنولوژی خواهد بود. می‌توان بیونانوتکنولوژی را شکلی خاص از نانوبیوتکنولوژی دانست که مبنای آن، استفاده از موادزیستی (برای مثال پروتئین‌ها یا DNA ) جهت ساخت وسایل نانویی است؛ اما در هنگام استعمال واژة نانوبیوتکنولوژی، استفاده از ابزارهای نانویی در کاربردهای بیولوژیک نیز مورد نظر خواهد بود. بار دیگر تأکید می‌شود که کاربرد هر کدام از این دو واژه، تا حد زیادی سلیقه‌ای است و به زمینة تخصصی محققان مختلف، بستگی دارد

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز

از مجموع مباحث فوق نتیجه گرفته شد که " بیونانوتکنولوژی " یک حوزة نوین ناشی از تلفیق علوم زیستی و مهندسی در حوزة نانو است که افق‌های جدیدی را در زمینة ساخت و توسعة سیستم‌های تلفیقی به‌وجود آورده و محققان را امیدوار کرده‌است که بتوانند از این تلفیق، در ساخت نانوساختارهایی استفاده کنند که در آنها از مولکول‌های بیولوژیکی به‌عنوان اجزای سیستم مورد نظر استفاده شود؛ به‌عنوان مثال، از استراتژی‌ طراحی بیولوژیک (مثلاٌ، حالت زیپ ‌مانند مولکول دورشته‌ای DNA ) بتوانند در ساخت چارچوب‌های جداشدنی و الگویی برای چینش ( Assembly ) پایین به بالای (فرآیندی که طی آن، سازماندهی مولکولی، بدون دخالت نیروی خارجی صورت می‌گیرد) مواد معمول‌تر، استفاده کنند. این توانمندی نه ‌تنها در حل مسائل مهمی در علوم زیستی چون کاوش و شناسایی دقیق ساختار موجودات زنده کاربرد خواهد داشت، بلکه می‌تواند محققان را در رفع چالش‌های عمده مهندسی همچون نیاز به تکنیک‌های نوین جهت سنتز مواد و دستکاری آنها یاری دهد و به این ترتیب دنیای نانو را به دنیای ماکرو وصل کند. به‌عبارت دیگر این شاخة مهم علمی (یعنی بیونانوتکنولوژی)، به زودی قابلیت کاربرد در حوزه‌های مختلف غیرزیستی و حوزه‌های کاربردی ماکرو را خواهد داشت؛ کاربردهایی که هرچند در حوزه زیستی نیستند ولی الهام گرفته از فرآیندهای زیستی ( Bio-inspired ) هستند.
بیوتکنولوژی، بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی: مرزها و هم پوشانی ها، تشابهات و تمایزات
بیو تکنولوژی در اوائل قرن بیستم وارد عرصه جهانی شد لیکن مهندسی بیوفرایند بعد از جنگ جهانی دوم و با تولید صنعتی پنی سیلین به روش تخمیر وارد معادلات علمی تجاری و اقتصادی جهان گردید. بیو تکنولوژی یک مفهوم کلی و یک موضوع بین رشته ای می باشد که دامنه و سیعی از علم (مهندسی، پزشکی، کشاورزی، صنایع غذایی ...) را شامل می شود. شاید یکی از تعاریف ساده و نزدیک به ذهن در بیوتکنولوژی انواع دسته بند یهای محصولات حاصل از تخمیر باشد که به چهار دسته مهم تقسیم می شود:
• مولکولهای کوچک ( (Small Molecules
• ماکرو مولکولها (مانند آنزیمها و پروتئین ها)
• مواد ساده سلولی (مانند مخمر نان)
• محصولات کمپلکس (مانند غذاهای تخمیری و محصولات کشاورزی)
ماکرومولکولها که از مهمترین این محصولات می باشند بخش بسیار وسیعی از فرایندهای بالا دستی و پایین دستی بیو تکنولوژی را به خود اختصاص داده و بیو تکنولوژی نیز بیشترین پیشرفت و توسعه را به این دست از محصولات اختصاص داده است. به لحاظ اهمیت و گستره این محصولات لقب نسل اول مواد و یا محصولات بیو تکنولوژیکی ( First Generation ) را می توان به آنها اطلاق نمود. اما در سالهای اخیر علاقه مندی بشر به نسل دیگری از محصولات بیو تکنولوژیکی روز بروز افزون شده و تا جایی که تکنیکهای بالا دستی و پایین دستی را کاملا تحت شعاع خود قرار داده است. امروزه نیاز فراوانی برای تولید، بازیافت و خالص سازی نانو بیو مواد (محصولات) نظیر پلاسمید DNA و ویروس ها برای ژن درمانی، اسمبلی ماکرومولکولها (مانند پروتئین نانو ساختارها) بعنوان حامل دارو و ذرات ویروس مانند (Virus-like particle) برای استفاده در واکسن ها ( Vaccine components ) وجود دارد و محققین خود را مواجه با مشکلات و معضلات جدیدی در این خصوص می بینند. نانو بیو مواد بواسطه اندازه ویژه شان (با قطر10-300 نانو متر) ، شیمی سطح پیچیده و ارگانیزمهای درونی شان تکنیکهای بلا دستی و پایین دستی گسترش یافته برای نسل اول مواد بیولوژیکی را به مخاطره انداخته و روش های جدیدی را برای تولید و بازیافت طلب می نمایند. به همین منظوربا یک دسته بندی منطقی میتوان این دست از محصولات بیو تکنولوژیکی را نسل دوم ( Second Generation ) محصولات نامیده و راه کارهای جدید را در مواجهه با آنها جستجو نمود. نانوتکنولوژی مجموعه‌ی است از فناوری‌هایی که بصورت انفرادی یا با هم جهت در به کارگیری و یا درک بهتر علوم مورد استفاده قرا رمی‌گیرند. بعضی از این فناوری‌ها هم‌اکنون در دسترس‌اند و بعضی نیز در حال توسعه و پیشرفت می‌باشند که ممکن است در طی سالها و یا دهه‌های بعد مورد استفاده واقع شوند. بیوتکنولوژی جزء فناوری‌های در حال توسعه می‌باشد که با به کارگیری مفهوم نانو به پیشرفتهای بیشتری دست خواهد یافت. یک تعریف کلاسیک از تعامل بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی بصورت زیر بیان می گردد:
" بیوتکنولوژی به نانوتکنولوژی مدل ارئه می دهد در حالی که نانوتکنولوژی با در اختیار گذاشتن ابزار برای بیوتکنولوژی آنرا برای رسیدن به اهدافش یاری می رساند."
پر واضح است که تعامل بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی ویا به تعبیری نانوبیوتکنولوژی بسیار فراتر از این می باشد. شاید بتوان گفت نانوبیوتکنولوژی استفاده از قابلیت های نانو در کاربردهای زیستی است و این شاخه از فناوری به ما اجازه می دهد تا اجزا و ترکیبات را داخل سلولها بصورت عام قرار داده و یا با استفاده از روش های جدید خو آرایی و مکان آرایی در موج اول نانوبیوتکنولوژی نانو بیو مواد را ساخته و با تکنیکهای پیشرفته به خالص سازی و بازیافت آنها بپردازیم. بی گمان زمینه ها و فازهای بعدی این فناوری جدید به تولید وسایل نانو بیو ( موج دوم ) و در نهایت به ارائه ماشین های هوشمند و روباط ها منجر خواهد شد ( موج سوم ) که کاربردهای فراوانی در حوزه های مهم بیوتکنولوژی مانند پزشکی، کشاورزی و صنایع غذایی خواهند داشت. سوالی که به ذهن متواتر شده و محققان و متخصصان به علوم بیوتکنولوژی ونانو بیوتکنولوژی را متوجه آن کرده است این است که مرز بیوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی در کجاست ؟ اگرچه این دوفناوری هم پوشانیهای زیادی دارند و به تعبیری دارای مرزهای نامشخص ( ( Fuzzy می باشند اما شاید دسته بندی محصولات بیوتکنولوژیکی به نسل اول و نسل دوم کمک قابل توجه ای به این موضوع بنماید .حوزه ای از فناوری که با تولید، باز یافت و بکارگیری نسل دوم مواد و محصولات بیوتکنولوژیکی سروکار دارد ، همان نانوبیو موادی که تولید و بازیافت و خالص سازیشان خصوصا" در ابعاد صنعتی به شدت تکنیک های موجود را به مخاطره انداخته و روشهای نوین را می طلبد، می تواند محدوده کاری نانوبیوتکنولوژی و یا بیونانوتکنولوژی باشد . با تقسیم بندی اولویت های تحقیقاتی نانوبیوتکنولوژی به سه موج نانو بیو مواد، نانو وسایل و نانو ماشین ها (همانگونه که در متن بالا به آن اشاره شد) ، لزوم تمایز بیو تکنولوژی و نانو بیو تکنولوژی بطور وضوح در محدوده کاری موج اول نانو بیو تکنولوژی خود را نمایان می سازند چون بی تردید موج های دوم و سوم این فناوری هم پوشانی بسیار ناچیزی با بیوتکنولوژی به معنای عام خواهند داشت. اما موضوع بعدی که ضرورت شفاف سازی و بیان وا ژه ها در آن مهم می باشد تشابه و تمایز نانوبیوتکنولوژی و بیونانوتکنولوژی می باشد. به بیان دیگر اصولا فرقی بین این دو واژه وجود دارد و اگر چنین است این تمایزات چیست؟ برای ساخت تمام نانو مواد ها (ذرات ها) همواره دو روش در نانو تکنولوژی مد نظر می باشد، ابتدا روشهای بالا به پایین Top down) ) وسپس روش های پایین به بالا ( (Bottom up . نانو بیو ذرات نیز از این قاعده مثتثنی نبوده و بوسیله یکی از این دو روش تولید می شوند. اگر یک نانو بیو محصول از روش های بالا به پایین تولید شود، به بیان دیگر با تکیه بر اصول و مبانی اصلی بیو تکنولوژی، و در ادامه با روش های اصلاح شده خالص سازی و بازیافت که با کمک تکنیکهای جدید توسعه یافته و برای محصولات نسل دوم (نانو بیو مواد ها) بکار گرفته می شود به محصول نهایی ( (End product تبدیل شود، به این مجموعه از فناوریها بیونانو تکنولوژی اطاق می شود. به عنوان مثال بیوراکتوری را در نظر بگیرید که یک سلول حیوانی خاص در آن کشت داده شده و در شرایط ویژه رشد نماید. محصول مورد نظر یک ویروس درون سلولی می باشد که برای استفاده در ژن درمانی با درجه خلوصی ویژه مورد نیاز می باشد. بدین ترتیب نانو بیو محصول مورد نظر در درون سلول تولید شده و سپس بازیافت می شود (از بالا به پایین). از طرفی دیگر اگر با بهره وری مستقیم از فناوری نانو یک نانو بیو محصول از پایین به بالا ساخته شود می توان این حوزه از فناوری نانو را نانوبیو تکنولوژی دانست. مثال واضح آن تولید تمام نانو بیو ذرات از طریق خود آرایی و مکان آرایی می باشد که بادر کنارهم قرارگرفتن اجزا تشکیل دهنده، محصول مطلوب تولید می شود. اسمبلی ماکرومولکولها و بطور خاص پروتئین نانو ساختارها از مثال های جالب تولید از پایین به بالای نانو بیو مواد می باشد که می توانند بعنوان حاملهای دارو استفاده شوند. بکارگیری این روش در ابعاد آزمایشگاهی خوشبختانه در داخل کشور آغاز شده و در حال گسترش وتکامل می باشد. بطور کل بنظر می رسد که دنیا در ساخت مواد از بالا به پایین تا حدودی زیادی موفق بوده است و از ساخت توده ای مواد وبازیافشان (بیونانو تکنولوژی) و رسیدن به بیوذرات در اندازه نانو بهره ها برده و ما نیز باید با برنامه ریزی مدون در داخل این مهم را گسترش داده و تقویت نماییم ( البته در اندازه های آزمایشگاهی موفق بوده ایم و باید در فاز بعدی به سمت تولید انبوه و صنعتی برویم ). ساخت از پایین به بالای بیوذرات در دستور کار مراکز تحقیقاتی جهان قرار دارد و پیش بینی ها حاکی از آن است که دنیا بتواند به تولیدات قابل توجه ای در این خصوص تا سال 2015 میلادی دست یابد. بمانند مبحث قبلی (مرزهای بیو تکنولوژی و نانوبیو تکنولوژی) با عبور از موج اول تحقیقات و تولیدات، اهمیت شفاف سازی واژه ها بین بیونانو تکنولوژی ونانو بیو تکنولوژی نیز کم رنگ شده ونانو بیو تکنولوژی تا حد زیادی موج های دوم و سوم تحقیقات و فعالیتها را در انحصار خود قرار می دهد. محققان همواره برای رسیدن به اهداف ریز و درشت علمی تحقیقاتی خود نیازمند به دسته بندی ها و اولویت بندیها می باشند. با توفیقات نسبتا" خوبی که در زمینه های تحقیقاتی بیونانو تکنولوژی در فرایندهای بالا دستی بوجود آمده است، لزوم توجه بیشتر به فرایندهای پایین دستی بیونانو تکنولوژی بیش از پیش نمایان می شود. البته نیاز پژوهش گران به بهینه سازی تولید نانو بیو مواد در ابعاد صنعتی همچنان از دغدغه های جدی در سالهای آینده می باشد. در کنار بیونانو تکنولوژی که به تعبیری مقدم بر نانو بیوتکنولوژی می باشد، باید با جدیت به نانو بیوتکنولوژی و سه موج مهم آن پرداخت و بر اساس اولویتهای مطرح شده برای رسیدن به اهداف کوتاه مدت، میان مدت و بلند مدت برنام ریزی نمود تا بتوان همگام با دیگران در جهان شعار تعلق قرن بیست و یکم به نانو تکنولوژی را منصه ظهور رساند.

منابع: :

www.itan.ir
http://www.irche.com
http://nano.ir/

نقش نانوتکنولوژی در درمان سرطان

نقش نانوتکنولوژی در درمان سرطان

امید به درمان سرطان؛ چرا نانو؟

در رابطه با اهداف و چالش‌های انستیتوملی سرطان در خصوص رنج مبتلایان به این بیماری و مرگ و میر ناشی از آن و به منظور دسترسی به این اهداف تا سال 2015، تعدادی از زمینه‌هایی که می‌تواند سهم عمده‌ای ازکاربردهای فناوری‌نانو در سرطان داشته باشد، توجه بسیاری را به خود جلب نمود.تاکنون تعامل میان فناوری‌نانو در زمینۀ سرطان و زیست‌شناسی سرطان، تحولی عظیم در روش‌های تشخیص، درمان و پیشگیری از سرطان ایجاد کرده است، که این دستاوردها آغازی برای رسیدن به کاربردهای بالینی می‌باشند. فناوری‌نانو با ارائه ابزارهای جدید موجب تسریع روند تشخیص سرطان در مراکز درمان سرطان و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و نیز درک چگونگی عوامل و فرآیندهای ایجاد کنندۀ این بیماری و دلایل پیشرفت آن، گشته است. به گفتۀ Andro von eschenbach، سرپرست انستیتو ملی سرطان، فناوری‌نانو، دانش مربوط به مقیاس‌های کوچک، در حال جذب بزرگ‌ترین دانشمندان از سراسر دنیا در زمینه‌های گوناگون علمی و مهندسی می‌باشد و هدف آن معطوف و هماهنگ کردن استعدادها و ذهن آنها بر روی حل مسائل و مشکلاتی است که بر سر راه تحقیقات در مورد تجهیزات درمان بالینی وجود دارد. به عقیدۀ وی، نانومواد و نانوابزارها نقشی بی‌نظیر و حیاتی را در تبدیل دانش به پیشرفت‌های مفید بالینی در زمینۀ تشخیص و درمان سلول‌های سرطانی ایفا می‌‌کنند، کاری که با انجام آن روند تشخیص و درمان و نهایتاَ پیشگیری از سرطان کاملاَ متحول خواهد شد.مثالی که می‌تواند به منظور درک بیشتر پتانسیل وسیع فناوری‌نانو در زمینۀ تغییر روش‌های تشخیص و درمان سرطان به کار رود استفاده از نانو‌ذرات می‌باشد. دکترParas Prasad از گروه شیمی دانشگاه بوفالو و دکتر Raoul kopelman از گروه فیزیک دانشگاه میشیگان، نانوذرات کروی تولید نمودند که شکلی شبیه به توپ‌های تنیس، البته با ابعادی برابر با یک ده‌هزارم یک سر سوزن، دارند. این نانو‌ذرات به‌طور هم‌زمان قادر به تشخیص تومورهای سرطانی بسیار ریز و نیز انتقال داروهای بسیار مؤثر و نابود کنندۀ این سلول‌ها در یک موجود زنده می‌باشند. استفاده از این نانو‌ذرات به عنوان دارو و برای درمان سلول‌های بدخیم سرطانی هیچ‌گونه تأثیر سوئی بر سلول‌ها و بافت‌های سالم بدن بر جای نمی‌گذارند.
پس از رسیدن این نانوذرات به تومورها، داروهای درون آنها به وسیله نوارهای باریک نور لیزر فعال می‌شوند. این نانوذرات همچنین قادر به مشخص نمودن میزان تأثیر درمان بر سلول‌های بدخیم می‌باشند. این ایدۀ بزرگ که تنها با تزریق یک عامل بتوان تشخیص، درمان و گزارش در مورد میزان اثر بخشی درمان را انجام داد، امری است که فقط با کمک فناوری‌نانو میسر می‌شود.این یک دانش جدید نیست ولی بهتر استامروزه کار محققانی مانند دکتر kopelman و دکتر Prasad فناوری‌نانو را به یک موضوع داغ در سطح جهانی بدل و موجب افزایش توجهات عمومی و پوشش‌های خبری در این مورد شده است. در این میان آنچه که غیر عادی به نظر می‌رسد اینست که چرا این فناوری این قدر دیر به دست آمد، اما واقعیت امر این است که شیمیدانان، فیزیک‌دانان، مهندسان و زیست‌شناسان، مدت‌ها قبل از اینکه فناوری‌نانو به این صورت در جهان فراگیر شود هر کدام به گونه‌ای با آن سر و کار داشته‌اند.امروزه بسیاری از شیمیدانان و فیزیک‌دانان این ادعا را دارند که از روزهای آخر قرن بیستم، در حال کار در مقیاس نانو- محدودۀ طولی100 -1 نانومتر- هستند. هموگلوبین، پروتئینی که وظیفۀ نقل و انتقال اکسیژن در جریان خون را به عهده دارد، دارای قطری برابر 5 نانومتر، 5 بیلیونیوم یک متر، می‌باشد. بیشتر مولکول‌های دارویی کوچک‌تر از یک نانومتر هستند و این درحالی است که اتم‌های سیلیکونی تشکیل دهندۀ یک تراشۀ کامپیوتری، دارای اندازه‌ای در حد یک دهم نانومتر می‌باشند.اما کارکردن با اتم‌ها و مولکول‌ها، پروتئین‌ها، DNA و مطالعۀ آنها تنها چیزی نیست که محققان به دنبال آن هستند، بلکه انتظار و تعریف آنها از فناوری‌نانو می‌تواند همان تعریف ارائه شده از سوی NNI باشد که فناوری‌نانو را زمینه‌ای از علم می‌داند که شامل موارد زیر است:
-تحقیق و توسعۀ فناوری در سطوح اتمی، مولکولی یا ماکرو‌مولکولی، در مقیاس طولی در حدود 100-1 نانومتر؛
-ساخت و به کارگیری ساختارها و ابزارها و سیستم‌هایی که به علت داشتن ابعاد کوچک یا متوسط خواص بی‌نظیری دارند؛
-توانایی کنترل یا دستکاری در مقیاس اتمی.
براساس این تعریف، پیدایش فناوری‌نانو به سال 1985، و در پی کسب دو پیشرفتی که هر دو منجر به دریافت جایزۀ نوبل شدند بر می‌گردد. اولین مورد مربوط به اختراع میکروسکپ تونل‌زنی عبوری یا STM در سال 1985 می‌باشد که آن را دکترGerd Binnig و دکتر Heinrich Rohner، فیزیک‌دانان مؤسسۀ IBM، در زوریخ سوئیس انجام دادند. این دو فیزیک‌دان با ارائۀ این اختراع موفق به دریافت جایزۀ نوبل فیزیک در سال 1986 شدند. دومین پیشرفت، در یک دورۀ 11 روزه در همان سال 1985، در دانشگاه رایس حاصل شد. هنگامی که شیمیدانان، دکتر Robert Curl Jr، دکتر ریچارد اسمالی و دکتر Harold Kroto، موفق به کشف ترکیب جدید کربنی شدند که آن را باکی مینستر فولرین نامیدند که اصطلاحاَ به آن باکی‌بال گفته می‌شود. بر خلاف سایر ترکیبات کربنی که از تعداد نامحدودی اتم‌های کربن ساخته شده‌اند، اتم‌های تشکیل‌دهندۀ باکی‌بال‌ها محدود به 60 عدد می‌باشد که این تعداد اتم به صورت کروی و به شکل یک توپ فوتبال آرایش یافته‌اند و شکل این ساختار برای اولین بار توسط معماری به نام باکی مینستر فولر ارائه شد. یافته‌های آنان بسیار بحث انگیز بود و نتیجۀ تلاش آنها برای کشف این نانو‌ذرات جدید نه تنها دریافت جایزۀ نوبل را برای آنها به دنبال داشت بلکه آغازی برای حجم وسیع تحقیقات در زمینۀ مواد نانومقیاس گردید.تولد فناوری‌نانو در زمینۀ سرطان را نیز می‌توان به همان دورۀ زمانی نسبت داد. در این تحقیقات کمتر به ماهیت مواد پرداخته ‌شد و توجهات، بیشتر به تحقیق در مورد چگونگی تأثیر آنها بر سلامتی انسان و حفظ زندگی معطوف گردید.در اواسط دهۀ 1980، میکروبیولوژیستی به نام دکتر Adler Moor از دانشگاه کالیفرنیا و بیوتکنولوژیستی به نام دکتر Richard Proffitt، ذرات کروی نانومقیاسی از چربی تولید نمودند که به لیپوزوم‌ها مشهور شدند. لیپوزوم‌ها محتوی داروی قوی اما بسیار سمamphotericin B می‌باشند. این ماده که ترکیبی جدید از یک داروی قدیمی می‌باشد، به وسیلۀ سلول‌های ‌سیستم ایمنی که ماکروفاژ نامیده می‌شوند ایجاد می‌شود. ماکروفاژ‌ها در هر مکانی از بدن که قارچی رشد کرده باشد آزاد می‌شوند. لیپوزوم‌ها، amphotericin B را از طریق سلول‌های حساس کلیه نگه می‌دارند. نتیجۀ تحقیقات تولید داروی جدید و سالم‌تری بود که فیزیک‌دانان معتقدند، استفاده از این دارو موفقیت درمان را مخصوصاَ در مورد بیماران سرطانی که پیوندهای مغز استخوان دریافت کرده‌اند، تضمین می‌کند. در همین زمینه محققان دیگری نیز موفق به تولید لیپوزوم‌های دیگری شدند که قادرند به طور سالم‌تر و مؤثرتری عمل انتقال عوامل ضد سرطان به تومورها و در نتیجه درمان سرطان را انجام دهند.

نوید فناوری‌نانو:

اگرچه بعد از آن لیپوزوم‌ها‌ی اولیه، تعداد محصولات نانو‌مقیاس برای دستیابی انسان به کاربردهای درمانی و پزشکی اندک است، اما این بدان معنی نیست که فناوری‌نانوی مرتبط با درمان سرطان، به پایان راه خود رسیده است. اکثر شیمی‌دانان، مهندسان و زیست‌شناسان دو دهۀ گذشته را صرف تسلط بر پیچیدگی‌های کار با مواد نانومقیاس نموده‌‌اند، در نتیجه هم‌اکنون دانشمندان تصویر واضح‌تری از چگونگی ایجاد مواد نانومقیاس با خصوصیات مورد نظر و مورد نیاز برای کاربرد مؤثر در زندگی بشر را در پیش رو دارند.به گفتۀ دکتر Mauro Ferrari کار در مقیاس نانو سخت‌تر از کارهایی است که در مورد محصولات لیپوزومی انجام گرفت و منجر به موفقیت شد. ‌‌امروزه علی‌رغم تعداد وسیع محصولات نانومقیاس که هم‌اکنون در دسترس می‌باشند، کاربردهای بالقوۀ این نانومواد محدود است. این محدودیت را مهندسان، شیمی‌دانان‌ و دیگران ایجاد نکرده اند بلکه از محدود بودن تصور و دانسته‌های ما در مورد زیست‌شناسی سرطان ناشی شده است.فناوری‌نانو در زمینۀ سرطان دربرگیرندۀ محدودۀ گسترده‌ای از مواد و روش‌هاست که متقابلاً برای حل و برطرف نمودن تعداد زیادی از مسائل و مشکلات در این زمینه به کار می‌رود، از جمله:
-به زودی عوامل تصویر برداری و تشخیص بیماری، پزشکان را قادر به تشخیص سریع سرطان و درمان بسیار آسان خواهد نمود.
-سیستم‌هایی که می‌توانند ارزیابی‌های زمان واقعی از درمان‌ها و جراحی‌ها را برای تسریع فرآیند تفسیر بالینی ارائه نمایند.
-تجهیزات چند کاره‌ای که می‌توانند مرزهای زیست‌شناسی را پشت سر گذاشته و عوامل دارویی چندگانه‌ای را با غلظت‌ها‌ی بالا در زمان و مکان مشخص به یاخته‌های سرطانی برسانند.
-عواملی که قادرند تغیرات مولکولی در بدن را پیش‌بینی نمایند و نیز از بدخیم شدن سلول‌هایی که در مرحلۀ پیش‌سرطان هستند، جلوگیری کنند.
-سیتم‌های نظارتی که توانایی تشخیص تغییرات ناگهانی و نیز علائم ژنتیکی را که نشان‌دهندۀ پیش‌زمینه‌های بروز سرطان هستند دارا می‌باشند.
-روش‌های منحصر به فرد برای کنترل علائم سرطانی که کیفیت زندگی را به‌طور مضری تحت تأثیر قرار می‌دهند.
-ابزارهای تحقیقاتی که محققان را قادر خواهد ساخت، ماهیت عوامل جدید برای توسعۀ روش‌‌های بالینی و پیش‌بینی میزان مقاومت دارو را سریع‌تر تشخیص دهند.نانو‌ذرات دارای انواع مختلفی هستند و به‌طور حتم نقش مهمی را در جنبه‌های مختلف زندگی بازی می‌کنند.
هر نانو‌ذره خصوصیات کاملاَ منحصر به فردی دارد و هر محقق نیز نانو‌ذرات را به طریق خاصی برای توسعۀ روش‌های جدید در مورد تشخیص و درمان سرطان به کار می‌برد، با این همه چند ویژگی خاص در مورد نانو ذرات وجود دارد که موجب ایجاد پیوند میان تمامی این تلاش‌ها شده و زمینۀ وسیعی را برای کاربرد فناوری‌نانو در زمینۀ سرطان ایجاد می‌کند.در ابتدا، محققان نانو ذرات را به گونه‌ای طراحی نمودند که اتصال مقادیر مولکول‌ها از قبیل مولکول‌های دارو و یا مولکول‌هایی که قادر به هدف‌گیری ذرات به سمت تومورها هستند، به سطح ذرات به آسانی انجام گیرد. به عنوان مثال، یک عامل هدف گیرندۀ متداول، می‌تواند مولکول اسید فولیک باشد که اصطلاحاَ به آن فولیت نیز گفته می‌شود. این عامل قادر است گیرنده‌های فولیت را که در سطح سلول‌های سرطانی وجود دارند، تشخیص داده و به آنها متصل شود.عامل هدف گیرندۀ دیگر یک آنتی بادی می‌باشد که قادر به شناسایی و اتصال به پروتئینی به نام Her-2 که در نمونه‌های قطعی سرطان سینه وجود دارد، می‌باشد. عامل دیگر یک آپتامر (یک قسمت از اسید نوکلئیک که به عنوان یک آنتی بادی Super- charged عمل می‌کند) می‌باشد که پس از تشخیص آنتی‌ژن‌های ویژۀ سرطان پروستات، قادر است که به آنها متصل شود.سرطان‌شناسان به طور حتم در حال جست‌وجو برای یافتن این قبیل علائم سطحی سلول می‌باشند و هنگامی‌که کار آنها به نتیجه رسید، فناوری‌نانوست‌ها به آنها ملحق شده تا عوامل هدف گیرندۀ مورد نیاز را تولید نمایند و به این ترتیب جعبۀ ابزار دانشمندان در زمینۀ تشخیص و درمان سرطان کامل شود.اینکه چرا شیمیدان‌ها عامل هدف گیرنده را مستقیماَ به یک مولکول دارو یا یک عامل تصویر برداری متصل نمی‌کنند، از پیچیدگی‌های دیگر کاربرد نانو ذرات است و نیز چیزی است که شیمی‌دانان داروساز به دنبال آن هستند؛ در عین حال قابل ذکر است که به کارگیری نانو‌ذرات در این زمینه دو مزیت عمده دارد:مورد اول، کارکرد یک نانوذره به صورت یک عامل هدف‌گیرنده است. هنگامی‌که اسیدفولیک به یک گیرندۀ فولیت می‌چسبد، این اتصال دوام زیادی ندارد و پس از مدتی مولکول اسیدفولیک از گیرنده جداشده و حرکت می‌کند، در این حالت ممکن است که این عامل به گیرندۀ فولیت دیگری بر روی یک سلول مشابه متصل شود یا اینکه این اتفاق نیفتد.دراینجا یادآوری چگونگی اتصال چند حلقه به یک قلاب، تصویر واضحی را از چگونگی عملکرد نانو‌ذرات به ما می‌دهد. در این حالت نانو ذره به صورت قلابی عمل می‌کند که دسته‌های چند‌تایی از عوامل هدف گیرنده، مانند اسید فولیک، به آن متصل می‌شوند و هدف گیری به این روش بسیار مطمئن‌تر از هنگامی است که از یک داروی متصل شده به یک عامل هدف گیرنده استفاده شود. بنابر گفتۀ پروفسور Gregory Lanza، از بخش داروسازی دانشگاه واشنگتن، در این حالت هر زمانی‌که عامل هدف گیرنده از گیرنده‌اش، بر روی یک سلول سرطانی، جدا شود عامل هدف گیرندۀ دیگری بلافاصله جای آن را پر می‌نماید.
دومین دلیل برای این موضوع که چرا عملکرد ترکیب نانو‌ذره با عوامل هدف‌گیرنده برای تشخیص یا درمان سلول‌های سرطانی از سایر روش‌ها بهتر است، این است که بر خلاف یک مولکول- دارو یا یک عامل تصویر برداری که عملکرد شیمیایی خاصی دارند، یک نانو ذره به صورت ظرف بزرگی می‌باشد که می‌تواند مملو از ده‌ها یا صدها عامل تصویربرداری یا مولکول دارو باشد. به گفتۀ دکتر kopelmanاستفاده از یک نانو ذره به جای یک مولکول منفرد را می‌توان به تحویل دادن یک بستۀ پستی در عوض یک کارت تبریک، تشبیه نمود.پر نمودن یک نانوذرۀ هدف‌گیرنده با دارو، می‌تواند به مقدار زیادی در کاهش اثرات سمی داروهای درمان سرطان مؤثر باشد. از این طریق می‌توان داروی بیشتری را به محل تومور رساند و از رسیدن دارو به بافت‌های سالم جلوگیری نمود و بدین طریق اثرات جانبی استفاده از این داروها را تا حد زیادی کاهش داد، در عین اینکه میزان اثر بخشی آنها نیز بهبود می‌یابد.
نانو ذرات چه هدف گیرنده باشند و چه نباشند، از طریق کاهش به کارگیری مواد شیمیایی مختلف در ترکیب دارو که برای افزایش انحلال‌پذیری این داروها در سیالات بدن به کار می‌روند، نقش عمده‌ای در کاهش عوارض استفاده از داروهای ضد سرطان دارند.به عنوان مثال دارویAbraxane یک ترکیب نانو ذره‌ای ساخته شده از داروی ضد سرطان و بسیار قوی Paclitaxel، به صورت عوامل فعال در Taxol، می‌باشد که هم‌اکنون به‌صورت یک سلاح مهم در تسلیحات درمانی تومور‌شناسان به‌شمار می‌آید، اما مشکلی که در اینجا وجود دارد، کم بودن قابلیت انحلالPaclitaxel در سیالات بدن می‌باشد. شیمیدان‌های داروساز به منظور غلبه بر این مشکل، Paclitaxel را با مواد شیمیایی دیگری که اثرات جانبی بسیار محدودی در بر خواهد داشت، ترکیب نمودند.چنانچه یک نانو ذره را با Paclitaxel پر کنیم، آلبومین به دست می‌آید که یکی از عمده‌ترین پروتئین‌های خونی می‌باشد، استفاده از این مادۀ فوق شیمیایی می‌تواند اثرات بسیار مفیدی برای بیماران داشته باشد. با استفاده از این ماده بیماران می‌توانند مقادیر بیشتری از Paclitaxel را در عین داشتن کمترین میزان اثرات جانبی، مصرف نمایند.

چند عملکرد در یک نانو ذره:

یکی از امید‌بخش‌ترین کاربردهای نانو ذرات، به کارگیری آنها به منظور انجام هم‌زمان دو عمل تشخیص تومور و رساندن دارو به آن می‌باشد.دکترها kopelman، Prasad و Lanza، همگی در حال کار بر روی برخی کاربردهای ویژۀ نانو ذرات در این زمینه می‌باشند. به‌همین ترتیب دکتر JamesBakerکه تحقیقاتش تحت حمایت NCR قرار دارد، و گروهش در دانشگاه میشیگان موفق به تولید dendrimerهای چند منظوره‌ای شدند که به صورت نانو ذرات پلیمری کروی شکلی می‌باشند که قادرند با انواع مختلفی از مولکول‌ها آرایش‌هایی تشکیل دهند.در ماه‌های اخیر، این گروه نتایج حاصل از آزمایش‌های dendrimerهای چند کاره را بر روی حیوانات آزمایشگاهی را به صورت مقاله‌هایی ارائه نمود که این نتایج حاکی از موفقیت dendrimerها در در انجام همزمان دو عمل تشخیص و درمان تومورها بود. یک چنین عملکرد چند منظوره‌ای را شاید بتوان مهم‌ترین مشخصۀ نانو ذراتی دانست که در درمان سرطان استفاده می‌شوند و دانشمندان با به کارگیری آنها قادر به وجود آوردن تحولات بسیار عظیمی در عرصۀ تشخیص، درمان و پیشگیری از سرطان خواهند بود.قابل توجه است که قابلیت دارورسانی به این طریق، خاص یک نوع داروی خاص نیست و در این شیوه می‌توان به طور همزمان چندین داروی متفاوت را به یک تومور انتقال داد.مطمئناَ تلاش‌های فراوانی به منظور تولید نانو ذرات چند کاره‌ با خواص ویژۀ درمانی صورت خواهد گرفت؛ خواصی که هر سه عملکرد هدف یابی، ظرفیت ترابری و غلبه نمودن بر مقاومتی که تومور نسبت به دارو نشان می‌دهد، را به صورت یک‌جا داشته باشند. مع‌ذلک دانشمندان فناوری‌نانو که در زمینۀ سرطان فعالیت می‌کنند خوش‌بین هستند که روش‌ها و رقابت‌های پیش‌بینی شده قادر خواهند بود بر چالش‌ها و پیچیدگی‌های موجود در این زمینه غلبه نمایند و نیز اینکه فناوری‌نانو تحولات بسیار عظیمی را در زمینۀ سرطان ایجاد خواهد کرد که منافع آن برای بیماران سرطانی بی‌شمار خواهد بود.فنانوری نانو یک میدان چند بعدی است که زمینه های وسیع و متنوعی از ابزارها را در حوزه مهندسی، بیولوژی، فیزیک و شیمی پوشش می‌دهد:از حوزه نانو بردارها جهت هدف‌گیری و رساندن هدفمند داروهای ضد سرطان، تا مکانیزم های کنترل کنندة عملیات جراحی و پروسه های ترمیم و بهبودی.این حوزه وسیع در مبارزه علیه سرطان، چالش‌های اساسی را پدید می‌آورد: در مقاله زیر می‌کوشیم تا چهارچوب‌های چالش برانگیز در حوزه درمان سرطان را با معیاربررسی خط مشی NCI ، موسوم به ، Cancer Nanotechnology Plan ،مورد بررسی قرار دهیم.

الف) چند تعریف اساسی:

• نانوتکنولوژی علاقه مند به، مطالعه ابزارهائی است که خودشان یا به کمک مولفه‌های اساسی‌شان در ابعاد یک الی هزار نانومتر، (از چند اتم تا ابعاد چند سلول) در مبارزه علیه سرطان بکار گرفته می‌شود.
• دو زمینه اصلی فناوری نانو در سرطان، عبارتند از نانوبردارها (Nanovector) جهت کمک به بهبود تجویز هدفمند دارو و کمکهای تصویر نگاری، و دیگری الگوهای دقیق رفتاری سطوح تحت درمان.
• نانوبردار: یک کاواک (hollow)یا یک سازه تو خالی است در ابعاد یک الی هزار نانومتر که حامل داروهای ضدسرطان و عوامل کشف کننده، است. نانوبردارها در پزشکی ژنتیک نیز بکار گرفته می‌شوند.
• فتولیتوگرافی: یک روش مشخص کردن تو سط نور می باشد که جهت بررسی الگوهای ساختار سطوح بکار گرفته می‌شود. دقت ابزارهای نانوئی بوسیله ابزارهای فتولیتوگرافی تعیین می‌شود از این رو توسعه این ابزارها در افزایش ظرفیت اطلاعاتی زیست مدارها مؤثر خواهند بود.
قابلیت فناوری نانو در پیشرفت‌هائی نظیر کشف سریع‌تر، تشخیص و پیش‌گوئی وراثتی و انتخاب روش درمان بر اساس قابلیت‌های چندگانه‌ای سنجیده می‌شود که عبارتند از: کشف محدوده وسیعی از سیگنال‌های مولکولی و نشانه‌های زیستی.مثال‌های اصلی از کشف به طریقه multiplex، به کمک فناوری نانو، عبارتند از:آشکارسازهای نوری نانویی، نانومفتول‌ها و نانوتیوب‌ها که در اکتشاف بکارگرفته خواهند شد . چند کارگی یک مزیت پایه در نانوبردارها بویژه در معالجه سرطان و هدایت عوامل کشف است: اهداف اولیه شامل اجتناب ازهدف‌گرفته شدن به کمک زیست نشانه‌گذاران (biomarker) و یا سدهای دفاعی بدن است ونیزاز دیگر مزیتهای بالقوه باید گزارش کردن بازدهی و تأثیر روش معالجه باشد.در حال حاضرهزاران نانوبردار، تحت پژوهش می‌باشند. با ترکیب سازمان یافته آنها درتعامل با روش‌های درمانی برگزیده و مکملهای هدف گیری بیو لوژیک، قادر خواهیم بود تا به سوی دستیابی به عوامل درمانی شخصی ، پیش برویم. روش‌ها و مدل‌های نوین ریاضی ، به منظور رمزگذاری دقیق فناوری نانو در تومورشناسی مورد نیاز است.اهداف عالی پروژه CNPLan: (Cancer Nanotechnology Plan)نمایش سریع‌تر نشانه‌های بیماری که به پزشکان اجازه دهد سرطان را هر چه سریع‌تر کشف ومهار نمایند و گام‌های موثری در معالجه بردارند توسعه سیستم‌هائی که به صورت آنی تشخیص دهند، و بازدهی سیستم معالجه را برای شتاب‌دهی روش کنترل کنند. چند منظوره بودن: ابزارهای هدف یاب ،باید استعداد میان برزدن سدهای دفاعی بیولوژیک جهت به هدف رساندن عوامل درمانی چندگانه با تمرکز بسیار بالارا در سرعت های انتشار بیولوژیکی، ،مستقیماً به سوی سلول‌های سرطانی را داشته باشند.( بافت آنها در ابعاد میکرویی است و نقشی اساسی در رشد و تکثیر سرطان ایفاء می‌کنند( این عوامل، می‌بایستی قادر باشند در هر لحظه موقعیت مولکول‌های اکتشاف کننده را رهگیری نموده و حرکت سلول‌های سرطانی را متوقف سازند. سیستم‌های پایش‌گر،(دگرگونی‌هائی را که ممکن است محرک پروسه‌های سرطان‌زا و جهشهای ژنتیکی مستعدساز سرطان باشند کشف می کنند) ، باید توسعه یابند. روش‌های نوینی جهت مدیریت علائم سرطان که تحت تاثیرشرایط زندگی می باشند، بکار گرفته شود ابزارهای پژوهشی که کاوشگران را قادر سازد سریعاً اهداف جدید را رهگیری کنند،جهت توسعة دانش بالینی و پیش‌بینی مقاومت داروئی، از اولویت برخوردارند. آزمایشگاه شاخص‌گذاری نانوتکنولوژی یا Nanotechnology Characterization Laboratory که به اختصار NCL خوانده می‌شود در راستای این طرح، اهداف عالی زیر را تعیقب می‌کنند: توسعه اطلاعات در زمینه برهم‌کنش ابزارهای نانوئی و سیستم‌های بیولوژیک این پژوهش تلاش دارد، خطوط مبنا و اطلاعات علمی اساسی را در جهت تحقیق و توسعه در حوزه های تشخیص و عوامل اکتشاف‌گرنانویی ، ونیز استراتژی‌های درمان، را وضع نماید.به هر حال این اطلاعات به سمت مراکز فعال سرطان شناسی و برنامه های وابسته به آن از طریق بانک اطلاعات عمومی که تحت پوشش شبکهCancer Biomedical Informatics Grid قرار دارد و به اختصار(CaBIG) خوانده می شود، هدایت خواهند شد.اما به هر حال NCI،نقش سیاستگزار و حامی را تا انتهای این برنامه حفظ خواهد کرد.NCI نیز در 4 محور عمده فعالیت می‌کند (برنامه تا سال 2015 میلادی تنظیم شده است(
• تلاش در جهت مدیریت فعالیت‌های منظم چند بعدی، میان تیم‌های مختلف همکار
• کم کردن شکاف میان کشف و توسعه روش ها و ابزارهای درمان
• تلاش درجهت حل معضل عمده فقدان استانداردهای در دسترس
• تلاش در جهت توسعه زیرساخت های توسعه تکنولوژی پزشکی
-کلیدهای اساسی در برنامه نانوتکنولوژی علیه سرطان تسریع در اکتشافات، و توسعه تلاش‌های که فرصت‌های بزرگتری را برای پیشرفت این حوزه دردرمان سرطان، در بخش خصوصی ایجاد کند.فناوری نانو در زمینه‌های زیر در ارتباط با حل مشکل سرطان، فعالیت خواهد کرد: تصویر برداری مولکولی و کاوشگران سریع‌تر و دقیق‌ترMolecular Imaging and Early Detection
• تصویر برداری داخل بافت زنده In vivo Imaging
• گزارش‌گران بازدهی Reporters of Efficacy
• درمان‌شناسی چند منظوره Multifunctional Therapeutics
• پیشگیری و کنترل Prevention and Control
• پیش رانهای پژوهشی Research Enablers

راهبردهای جدید در مبارزه علیه سرطان (رویکرد سرمایه‌گذاری(

در راستای اهداف CNPLan، سرمایه گذاری در 4 زمینه زیر صورت خواهد گرفت:
1 توسعه 3 تا 5 مرکز، CCNE که بستری مناسب برای مهندسان و فیزیک‌دانان به منظور توسعه دانش کارشناسی بیولوژی سرطان ‌باشد و نیز دسترسی به بیماران سرطانی در مراکز ملی و جامع سرطان را تسهیل کند. ونیز توسعه مراکزی موسوم بهSPORE ، و زیر ساخت‌های عمومی ملی نظیر خانواده سرطان سینه و روده بزرگ در اولویت قرار گیرد. 2. CNPLan بر روی برنامه آموزشی میان رشته‌ای به عنوان ابزاری در راه تسریع خلاقیت تیم‌های چند رشته ای که در راه ادغام بیولوژی سرطان ونانو تکنولوژی فعالیت می‌کنند سرمایه‌گذاری خواهد کرد.
3. CNPLan، برروی مؤسسات توسعه دهنده فناوری نانو که تولید محور باشند و تاکید بر عمومی ساختن دانش فناوری نانو دارند،در سطح تجارتخانه‌های کوچک و پروژهای بخش خصوصی، از طریق سرمایه‌گذاری حمایت خواهد کرد. 4. CNPLan بر روی پروژهایی که در حوزه کاربردی کردن نانوتکنولوژی در بیولوژی سرطان فعالیت می‌کنند، در پروژهای سطح بنیادین و سایر مکانیزم های توسعه، سرمایه‌گذاری خواهد کرد.

اهداف و ماموریت‌های ""CCNEها:

CCNE: Centers of Cancer Nanotechnology Excellence
هدف عالی این مراکز، توسعة نانوتکنولوژی در حوزه پژوهش‌های بنیادین و کاربردی است به گونه‌ای که لازم است سریعاً جهت انتقال دانش کاربردی به سوی پژوهش‌های درمانگاهی ابزار سازی کنند.
نیازمندی‌های بحرانی برای هر CCNE عبارت خواهند بود:
 تعامل با یک مرکز جامع سرطان/ در چهار چوب برنامة SPORE
 وابستگی به دانشگاه ها یا مراکز پژوهشی مهندسی محور و علوم پایه (نظیر ریاضیات، شیمی، فیزیک وعلوم مواد)
 دارا بودن امکانات زیست محاسباتی پیشرفته.
 نیازمندی‌های وجودی غیر انتفاعی در جهت توسعه همکاری‌هایی فناوری در بخش خصوصی.
اهداف مطلوب ، نمایشگر فناوری‌هایی خواهند بودکه توسعه یافته‌اند و به طرز موثری علیه پروسه های سرطان ابزار سازی شده‌اند. یک کمیته مشترک تلاش‌های کلیه CCNEها را هدایت می کندتا داده های ابزاری مطلوب برای انتقال تکنولوژی، از طریق مراکز، برآورده شود.شیوه ارتباطات داخلی مراکز و قدرت پیشرفت هر مرکزنیز بوسیله این سیستم ارزیابی می شود.

آزمایشگاه‌های شاخص گذار نانوتکنولوژی (NCL):

Nanotechnology Characterization Laboratoryذرات نانویی و ابزارهای نانویی، از نظر ابعاد کاملا به مولکول‌های زیستی نزدیکند و به سادگی می‌توانند در اغلب سلول‌ها نفوذ کنند. قابلیت ما در ادغام فیزیک،شیمی و خواص بیولوژیک این ذرات پژوهشگران و مهندسان را قادر خواهد ساخت تا نانو ذرات را در جهت ساخت دارو به کار گیرند، داروهایی که، در حوزهتصویر نگاری تشخیصی و کشف سرطان می‌توانند مفید واقع شوند. NCL تهیه‌کننده زیر ساخت‌های پشتیبانی اساسی در راه توسعه این حوزه است. هدف NCL شتاب بخشی به مرحله انتقال فاز از حوزه بنیادین Nano-biotech به حوزه مهندسی است.

ساخت تیم‌های پژوهشی:

در این حوزه NCI هنوز به دنبال مکانیزم جدیدی برای توسعه تیم‌های چند رشته‌ای است.

سیاست‌های تشویقی:

 جایزه F33 NIH برای پژوهشگران ارشد که از طرف سرویس ملی پژوهش اهدا می شود
 جایزه F32 NIH برای پژوهشگران فوق دکترا که از طرف سرویس ملی پژوهش اهدا می شود
 جایزه K25 و K08 به عنوان مربی توسعه تحقیقات علمی بالینی، که از طرف سرویس ملی پژوهش اهدا می شود
سیاست‌های صنعتی الف) برنامه ‌های ارتقاء پژوهشگاه ها تحت عنوان معاهدات T32: این برنامه پژوهشگاه‌های استاندارد و مجاز را قادر می‌سازد تا فرصت‌های آموزشی و پژوهشی خود را جهت آموزش به دانشجویان فوق دکترا و ماقبل دکترا که در زمینه ترکیب زمینه‌های ویژه بیوپزشکی و تحقیقات طبی فعالیت دارند ،ارتقاء بخشد . ب) برنامه ‌های" آموزش سرطان" در قالب معاهدات R25: این مکانیزم در راه توسعه برنامه‌های آموزشی جهت دهنده به بیولوژیست‌ها، مهندسان ، فیزیک‌دانان و مربیان گام بر می‌دارد. تمرکز بر توسعه فعالیت‌های با برنامه، درCCNE به منظور توسعه برنامه در قالب برنامه‌های آموزشی/ سمینارها و انجمن‌های ملی تمرکز یافته، درچهار چوب موضوع "نانوتکنولوژی علیه سرطان " است.برنامه فعالیت‌های آتی آموزشی و نیازهای توسعه تکنولوژی بر پایه موفقیت‌های اولیه راهبردهای فوق و تشخیص نیازهای برنامه صورت خواهد گرفت ساخت"زمینه ساز"های نانوتکنولوژی سرطان بر بستر هدایت برنامه‌های پژوهشی : با استفاده از آژانس‌های وسیعی اطلاع رسانی(BAA ) یا Broad Agency Announcement NCIسه تا پنج زمینه ساز عمده تکنولوژی برای سرطان، نظیر سیستم‌های نمایشگر نانوفناوری و سیستم‌های کنترل کیفیت درمان و پروسه‌های مفهوم سازی بیولوژی سرطان را به انجمن‌های R&Dخواهد شناساند.این پروژه سرمایه‌گذاری سه سالانه می‌طلبدکه از طریق ملاحظات ویژه در مفاد معاهدات لحاظ شده است. این برنامه‌ها مسبب ساز زمینه‌های تکنولوژی به منظور توسعه پژوهش های کاربردی در سرطان پژوهی خواهند بود.این پژوهش ها نیازمند تیم‌هایی خواهند بود که با مراکز جامع سرطان در قالب برنامه SPORE ودر جهت پخش فناوری فعالیت کنند. پیشگامان پایه و "کاربردی" در حوزه نانوتکنولوژی سرطان : این مراکز متمرکز بر بررسی و بازرسی طرح‌های اولیه، در حوزه مفهوم سازی پروسه‌های بیولوژیکی خاص، فناوری نقص شناسی یا روش‌های توسعه دانش داروشناسی، خواهند بود. در این راستا پروژه‌های پژوهشی که چگونگی شاخص‌گذاری کمی مفاهیم بنیادی در بیولوژی سرطان را تعریف می‌کنند در برنامة CNPLan لحاظ شده است.
مکانیزم‌های سرمایه‌گذاری تحت معاهدة R33 / R21، جهت بنگاه‌های اختراع محور در نظر گرفته شده اند و معاهدات R43 و R41، مکانیزم‌های سرمایه‌گذاری در حوزه صنایع تجاری کوچک را لحاظ کرده اند.اکنون خطوط راهنمای کلی این برنامه‌ها را بررسی می کنیم.در این بخش می‌کوشیم تا با برنامة NCI در قالب 6 اولویت تعریف شده در این پروژه، آشنا شویم.برنامه پی‌گیری در قالب 2 دوره طی خواهد شد.در طی دوره 1 تا 3 ساله، CNPLan، به توسعه برنامه‌هائی که، توسعه تولیداتی را در دستور کار دارند که به زودی در سطح کاربردی مورد استفاده قرار خواهند گرفت، اهتمام خواهد داشت.در طی دوره دوم که 3تا 5 سال به طول خواهد انجامید توسعه برنامه‌هایی در دستور کار است که فناوریهای مشکل‌تری را می‌طلبد و مسایل بیولوژیکی تازه‌ای را به چالش می کشد و یا نیازمند به توسعه چندین مولفه پیش نیاز تکنولوژیک هستند ولی دارای یک نقطه عطف و انقلابی در پروسه کشف و مدلسازی رفتار یاخته‌ها و پیش‌گیری از سرطان خواهند بود.شاخص‌های کمی در طی این برنامه‌ها سمت و سوی رشد و هدایت سرمایه‌گذاری‌ها را تعیین خواهند کرد. این شاخص‌های کمی معیار ارزیابی و کنترل پروژه‌ها خواهند بود.در پایان این دوره 5 ساله حداقل انتظار این است که تولیداتی در عرصه بیمارستانی و یاحداقل در عرصه پژوهشگاهی تولید شود. CNPLan همچنین یک برنامه جزبه جز جهت مشارکت صنایع تجاری در 5 سال آینده طراحی کرده است که آن را در فرصتی دیگر بررسی خواهیم کرد.در زیر به بررسی دوره های برنامة CNPLan می‌پردازیم : اولویت یکم: نمایشگرهای مولکولی و کاوش‌گران سریع‌تر: در دوره 1-3 ساله:شروع آزمایشات بالینی که تسهیل کننده سنجش سریع و کاشف سلول‌های غیرطبیعی در حوزه نانوتکنولوژی باشند. بهبود واصلاح سیستم‌های نانو تکنولوژی زیستی (ابزارهای پایه، مفتول‌های نانویی و نانوکانال‌ها) برای آنالیز سریع و حساس کنترل شونده ها. چنین سیستم‌هایی باید قادر باشند کمترین تغییرات در سلول‌هارا کنترل کنند . بازه زمانی 3- 5 ساله : گسترش ابزارهای نانویی برای سنجش متداول اعتبار نشانه‌گرهای سرطان. توسعه سیستم چند فاکتوری پروتئینی و ژنومیک تشخیصی برای شناسایی تومورها و تعیین مرحله رشد سرطان. شروع آزمایشات بالینی در بستر چند مولفه‌ای فناوری نانو وتشخیص زود هنگام و تحت نظر گیری درمانی . اولویت دوم:نمایشگرهای درون یاخته زنده: در دوره1-3 ساله : ارزیابی داروهای جدید در قالب برنامة IND به منظور شروع آزمایشات پژوهشی در سطح درمانگاهی جهت MRI نانویی، با قابلیت شناسایی حداقل100000 سلول سرطانی فعال و مهاجم هدایت آزمایشات پزشکی در سطوح مختلف درمانی با حداقل 3 نوع کاوشگر تصویری با استفاده از ابزارهای کاوشگر متنوع نظیر MRI ، مافوق صوت و نمایشگران اپتیکی مادون قرمز.

بازه زمانی 3-5 ساله:

کامل کردن آزمایشات بالینی و ثبت و ذخیره سازی استفاده های دارویی(NDA) برای اولین عامل تصویر نگاری نانویی که قابلیت شناسایی کردن فعالیت زیر 100000سلول سرطانی مهاجم را داشته باشدشروع آزمایشات بالینی با عوامل متعدد تصویر نگاری نانویی توسعه قابلیت‌هایی برای پایش پروسه های سلولی فعال همانطور که در طی زمان تغییر می کنند.
اولویت سوم: گزارش بازدهی روش درمان Reporters of Efficacy

در دوره 1-3 ساله:

 شروع آزمایشات بالینی با ابزارهای نانویی (بر پایه ابزارهای نمایشگر درون یاخته) با هدف ارزیابی آزمایشات بالینی و موثر بودن ابزارها.
 ایجاد قابلیتهایی برای پایش انهدام شبکه رگهای مربوط به تومورهای اولیه توپر و ضایعات متاستاتیک(در سراسر بدن تکثیر می شوند).
 ایجاد ابزارهای نانویی به منظور شناسایی و ارزیابی کمی تغییرات شیمیایی و بیولوژیک ، ناشی شده از روش درمان . نشان دادن صحت موضوع برای ابزارهای نانویی ، که، بر اساس تصویر نگاری درون یاخته یا بیرون از موجود زنده استوارند و می توانند با عوامل درمانی مختلفی برای نشان دادن توزیع زیستی درون یاخته ای استفاده شوند.
 شروع آزمایشات بالینی با یک ابزار تصویرنگاراپتیکی که قابلیت نشان دادن مرزهای جراحی با استفاده از عوامل نانویی باشند.

در دوره 3 تا5 ساله:

 نشان دادن سیستمهای چند کاره (نمایشگر های داخل یاخته و نمایشگرهای محیط پیرامون یاخته) که قادر باشند سریعاً بازدهی روش درمان را بر اساس خودکشی سلولی(Apoptosis)، رگزایی،پسروی و دیگر نشانگرها، تعیین کنند.
 نشان دادن سیستم‌های چند کاره برای پایش آنی توزیع داروها
 ترغیب استفاده‌ متداول از گزارشات اثر بخشی در مقیاس نانوبه منظور جانشینی سنجشهای نانویی در آزمایشات بالینی.

اولویت چهارم: روش‌های درمانی چند منظوره در دوره 1-3 ساله:

 فایل کردن کاربرد داروهای جدید جهت شروع آزمایشات بالینی به کمک یک سنسور هدف‌گیر(تشعشعی، مغناطیسی)
 ثبت و ذخیره سازی کاربرد داروهای جدید جهت شروع یک عملیات درمانی چند منظوره کامل به همراهی ابزارهای ارزیاب روش درمان.
 توسعه ابزارهای نانویی با قابلیت هدف‌گیری‌های چند منظوره و متنوع
 ثبت و ذخیره سازی کاربرد داروهای جدید نانویی برای شروع تمرینات بالینی به منظورارایه یک روش درمانی مبتنی بر ابزارهای نانویی و سیستم‌های هدف‌گیر شبکه‌ای.

دردوره 3-5 ساله:

 هدایت چندبعدی عملیات بالینی با هدف گیرهای حساس(تشعشعی،میدان مغناطیسی)
 ثبت و ذخیره سازی کابردهای داروهای نانویی جدید به منظور پوشش عملیات بالینی یک روش درمانی مبتنی بر هدفگیری چند فاکتوری ،با استفاده از داروهای نانویی.
 نشان دادن با ترکیب مجدد5 داروی رد شده در ابزارهای نانویی هوشمند و هدف دار برای آزمایش مجدد در نسل جدیدی از مدلهای پیش بالینی
اولویت پنجم: پیشگیری و کنترل دردوره 1-3ساله : نشان دادن صحت موضوع برای ابزارهای نانویی دارای توانایی نشان دادن تغییرات ژنتیکی (که مربوط به تشخیص فرایندهای پیش قراولان سرطان وhyperplasia است)، با هدف پیشگیری از ایجاد سرطان متعاقب آن . در دوره 3-5 ساله:
 ثبت و ذخیره سازی داروهای جدید نانویی به منظور شروع آزمایش‌های بالینی یک ابزار نانویی که قابلیت شناسایی زودرس پروسه های سرطان را دارد.
 نشان دادن صحت موضوع ، برای ابزارهای نانویی توانمند در کشف متاستازها(در سراسر بدن پخش می شوند)

اولویت ششم:" امکان بخش" های پژوهش در دوره 1-3 ساله:

 ایجاد ابزارهای نانویی نتیجه گیری، برای آنالیز پروتئین‌ها و شناسایی زیست نشانگر.
 ساخت نمونه اولیه برای کاربرد در شرایط آنی و درهمان محل به منظور معین کردن توالی ژنها در سلولهای بد خیم و سلولهایی که در مراحل قبل از بد خیم شدن می باشند.
 توسعه تحقیقات بیو لوژی بر اساس سامانه های ابزاری همراه با کشت آزمایشگاهی
 بهبود و تصحیح روشهای نشانه گذاری سلول و اجزاءآن با ذرات نانویی مانند نقاط کوانتومی برای مطالعه روندها و فرایندهای سرطان
 توسعه بانک های اطلاعاتی سم شناسی برای ابزارهای نانویی و نانوذرات
 ساخت یک چهارچوب علمی، برای قواعد داوری"تشخیص نانو ابزاری"، " داروها" و مواد پیشگیری کننده

در دوره 3-5 ساله:

 ایجاد ابزارهای تحلیلی نانویی به منظور مطالعه متیلاسیون DNA و فسفریزاسیون پروتئین
 ترغیب استفاده روزمره از فناوری مقیاس نانو جهت توصیف تنوع تومورها.
 نشان دادن فناوری در مقیاس نانو برای کشف جهش های متعدد در موجود زنده
 ترغیب استفاده روزمره از ابزارهای تحلیلی نانویی برای مطالعه مسیرهای پیام دهی سلولی

گلوله سحرآمیز؛ از تحقیق تا کاربرد

روش‌های معمول برای تشخیص و درمان سرطان شامل جراحی، بافت برداری، شیمی درمانی و پرتودرمانی می‌شود. جدیدترین داروهای ضدسرطان بر سلول‌های سالم و سلول‌های سرطانی تأثیرات تقریباً مشابهی دارند. این امر منجر به بروز آثار مضر و مسمومیت در تمام بدن می‌شود. در نتیجه، استفاده از این داروها اغلب باعث به وجود آمدن عوارض جانبی شدید در سایر بافت‌های بدن (مانند فروداشت مغز استخوان1، بیماری‌های عضلات قلب2 و مسمومیت‌های عصبی) می‌شود، به طوری که حداکثر میزان داروی قابل مصرف را شدیداً کاهش می‌دهد.
به علاوه به دلیل توزیع گسترده دارو در سراسر بدن و حذف سریع آن از گردش خون، استفاده از مقادیر زیاد دارو اجتناب ناپذیر بوده، نتیجتاً غیراقتصادی و اغلب باعث پیچیده شدن درمان می‌شود. دارورسانی هدفدار موضوع جدیدی نیست و به اوایل قرن بیستم، همزمان با طرح گلوله سحرآمیز از سوی‌ ارلیخ بر می‌گردد، قدمت این موضوع گواه محکمی بر جذابیت آن است، اما هنوز تهیه و به کارگیری آن برای آزمایش‌های بالینی یک چالش بزرگ است. این چالش شامل پیدا کردن هدف مناسب برای یک بیماری خاص؛ یافتن دارویی مناسب برای درمان بیماری مورد نظر؛ و پیدا کردن حاملی مناسب برای رسانش دارو به صورت فعال به آن می‌باشد، به شکلی که این حامل از سیستم ایمنی بدن -که مواد خارجی را به سرعت از گردش خون حذف می‌کند- در امان باشد. نانوذرات با پوشش محافظ برای دوری از سیستم ایمنی بدن و لیگاندها برای هدف قرار دادن سلول یا بافت خاص، بسیاری از ویژگی‌های لازم یک گلوله سحرآمیز را برآورده می‌سازند نانوذرات شامل انواع مختلفی از سامانه‌های کلوئیدی با مقیاس زیرمیکرون ( کوچکتر از 1 میکرومتر) هستند، و ممکن است غیرآلی، لیپوزومی یا پلیمری باشند. چندین دهه از اولین مطالعات روی سامانه‌های دارورسانی نانوذره‌ای می‌گذرد، و بسیاری از ویژگی‌های آنها به عنوان حامل‌های دارویی مناسب به خوبی شناخته شده است. یکی از مزیت‌های اصلی نانوذرات، کوچکی اندازه آنها می‌باشد، به طوری که آنها را قادر به عبور از موانع زیستی خاص می‌کند. برتری دیگر چگالی بالای عامل دارویی در آنها است، که می‌توان از آن برای رسیدن به خصوصیات رهایش دارویی متفاوت استفاده نمود. به دلیل وجود انواع مختلف روش‌های تولید نانوذرات، خصوصیات سطحی متفاوتی می‌توان برای نانوذرات ایجاد کرد.
از این طریق ویژگی‌های دیگری نیز مثل اتصال لیگاندهای محافظ برای افزایش مقاومت نانوذرات در برابر سیستم ایمنی بدن و نتیجتاً افزایش حضور آنها در گردش خون، و یا اتصال لیگاندهایی برای متصل شدن نانوذرات به سلول یا بافت هدف، به نانوذرات اضافه می‌شود تومورهای سرطانی مجموعه ای از سلولهای غیرطبیعی‌اند که به سرعت در حال رشد و تکثیر می‌باشند؛ به این دلیل آنها نسبت به سلولهای سالم نیاز بیشتری به مواد غذایی دارند. به عبارت دیگر تبادل مواد در عروق تومورهای سرطانی بیشتر و شدیدتر از عروق بافت‌های سالم است، و این مسئله باعث می‌شود تا در عروق این بافت‌های سرطانی، فواصل بین سلولی بزرگ‌تری به وجود آید، به طوری که حتی نانوذرات هم قادر به عبور از این عروق می‌شوند. همین امر، یعنی عبور نانوذرات از عروق سرطانی و عبور نکردن از عروق سالم، باعث تجمع بیشتر نانوذرات در بافتهای سرطانی می‌شود. برای به حداکثر رساندن تجمع نانوذرات در بافت‌های سرطانی باید آنها را از سیستم ایمنی بدن دور نگه داشت تا توسط آن به سرعت از بدن دفع نشوند، و همچنین اندازه این ناذرات بایستی در حدود 100 نانو متر باشد تا به طور خاص قادر به نفوذ در عروق تومور باشند، ضمن اینکه امکان نفوذ آنها در عروق سالم وجود نداشته باشد. در هشتم فوریه سال 2005، اولین محصول دارورسانی نانوذره‌ای به نام آبراکسان3 -که برپایه نانوذرات آلبومینی و حاوی داروی پاکلیتاکسل4 می‌باشد- را شرکت آبراکسیس اونکولوژی5، که زیرمجموعه شرکای داروساز آمریکا6 می‌باشد، برای درمان سرطان سینه به بازار عرضه کرد. در اواخر سال 2004 خبر احتمال ورود این دارو به بازار، قیمت سهام این شرکت را50 درصد افزایش داد و به شکلی اداره دولتی دارو و غذای آمریکا (FDA)را ناگزیر کرد که سرفصل جدیدی از داروهای درمانی را به وجود آورد. ورود آبراکسان نشان دهنده این امر است که ایده گلوله سحرآمیز در حال تبدیل شدن به واقعیت می‌باشد از سال 1382، بعد از شروع مطالعه و تحقیق در زمینه نانوذرات زیستی در گروه بیوتکنولوژی دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه تربیت مدرس و تولید موفقیت آمیز نانوذرات پروتئینی ، طرح‌هایی برای رسیدن به یک سامانه دارورسانی در درمان سرطان برپایه نانوذرات پروتئینی طراحی شده، با کمک استادان و دانشجویان کارشناسی ارشد و دکتری گروه در حال انجام می‌باشد

منابع :

http://www.nano.ir
www.maghaleh.net
nano.irannano.org

نانوکامپوزیت های پلیمری و رسی

نانوکامپوزیت های پلیمری و رسی
نانوکامپوزیت های پلیمری

این گزارش به معرفی اجمالی نانوکامپوزیت های پلیمری می پردازد. سیلیکات های لایه ای تا به امروز بیشترین کاربرد را در ساخت نانوکامپوزیت ها داشته اند اخیرا به شدت از نانولوله های کربنی نیز در ساخت این نانوکامپوزیت ها استفاده می شود. از انواع رزین های مورد استفاده به عنوان زمینه ناوکامپوزیت ها رزین های ترموپلاستیک و ترموست می باشد. در حال حاضر از موضوعات بسیار با درجه اهمیت بالا در تحقیقات مطالعه فصل مشترک فاز تقویت کننده مانند نانولوله ها و فاز زمینه مانند پلیمرها می باشد.مواد و توسعه مواد از پایه‌های تمدن و فرهنگ انسان می‌باشد. بشر حتی دوره‌های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده است. مثل عصر سنگی، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد (انقلاب صنعتی)،‌ عصر سیلیکون و عصر سیلیکا (انقلاب ارتباطات از راه دور) . این نشان می‌دهد که مواد چقدر برای ما اهمیت دارد. ما همواره در کوششیم که از دنیای اطراف خود آگاهی داشته باشیم و آن را بهبود دهیم و ببینیم دنیای ما از چه چیزی ساخته شده است. عصر جدید با شناخت یک ماده مشخص بوجود نخواهد آمد بلکه با بهینه‌کردن و مشارکت‌دادن ترکیبی از چند ماده بوجود خواهد آمد. دنیای نانومواد و هیجانات همراه آن،‌ فرصت‌های استثنایی برای تولید انقلاب در مواد کامپوزیتی بوجود آورده است. کامپوزیت‌های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی، چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می‌رود. با ظهور و به‌کارگرفتن نانوتکنولوژی، کامپوزیت‌های پلیمری بسیار جذاب‌تر خواهند شد.

فرصت‌های نانوکامپوزیت‌های پلیمری

تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی و یا معدنی بسیار مرسوم می‌باشد. برخلاف تقویت‌کننده‌های مرسوم که در مقیاس میکرون می‌باشند، در کامپوزیت‌های نانوساختاری فاز تقویت‌کننده در مقیاس نانومتر می‌باشد. توزیع یکنواخت این نانوذرات در فاز زمینه پلیمری باعث می‌شود فصل مشترک فاز زمینه و فاز تقویت‌کننده در واحد حجم، مساحت بسیار بالایی داشته باشد. برای مثال مساحت فصل مشترک ایجاد شده با توزیع سیلیکات لایه‌ای در پلیمر بیشتر از 700 خواهد بود. علاوه بر این فاصله بین ذرات فاز نانومتری تقویت‌کننده با اندازه ذرات قابل مقایسه خواهد بود. برای مثال برای یک صفحه با ضخامت nm 1 فاصله بین صفحات در حدود 10 نانومتر در فقط 7 درصد حجمی از فاز تقویت‌کننده می‌باشد. این مورفولوژی از ویژگی‌های ابعاد نانومتری می‌باشد. هم از جنبه تجاری و هم از جنبه نظامی، ارزش نانوکامپوزیت‌های پلیمری فقط به خاطر بهبود خواص مکانیکی نمی‌باشد. در کامپوزیت‌ها کارایی مورد نیاز، خواص مکانیکی، هزینه و قابلیت فرآوری از موضوعات بسیار مهم می‌باشد. نانوکامپوزیت‌های پلیمری بر این محدودیت‌ها غلبه کرده است. برای مثال پیشرفت سریع نانوکامپوزیت‌های پلیمر- سیلیکات لایه‌ای را درنظر بگیرید. تلاش‌های ده سال اخیر باعث شده است که مدول کششی و استحکام این کامپوزیت‌ها دوبرابر شود، بدون اینکه مقاومت به ضربه آنها کاهش یابد. مثلاً برای تعداد زیادی رزین‌های ترموپلاستیک مثل نایلون و اولفین و همچنین رزین‌های ترموست مثل اورتان، اپوکسی و سیلوگزان با افزایش مقدار کمی مثلاً 2% حجمی از سیلیکات لایه‌ای می‌توان به این خواص رسید. اخیراً جنرال موتورز و شرکایش مثل Basel و Southarn Clay Products و Black hawk Automotive در قسمت‌های خارجی اتومبیل از نانوکامپوزیت‌های با زمینه اولفین ترموپلاستیک و تقویت‌کننده سیلیکات لایه‌ای استفاده کرده‌اند. یک نانوکامپوزیت اولفینی با 5/2% سیلیکات لایه‌ای بسیار مستحکم‌تر و سبکتر نسبت به ذرات مرسوم تالک که در ساخت کامپوزیت‌‌های مرسوم به کار می‌رود، می‌باشد. باتوجه به نوع قطعه و ماده تقویت‌کننده در یک نانوکامپوزیت اولفینی می‌توان کاهش وزنی درحدود 20% را بدست آورد. علاوه بر این مقدار مواد مصرفی نیز نسبت به کامپوزیت‌های مرسوم کاهش خواهد یافت. این مزایا باعث خواهد شد که تأثیرات مثبتی بر مسائل زیست ‌محیطی و بازیافت آنها داشته باشد. به عنوان مثال گزارش شده است که استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری با لایه های سیلیکاتی در صنایع خودرو آمریکا باعث صرفه‌جویی در مصرف 5/1 میلیارد لیتر گازوئیل در طول عمر خودرو تولیدشده در یک سال خواهد شد و درنتیجه چیزی در حدود 10 میلیارد پوند دی‌اکسید کربن کمتر نشر خواهد یافت. باتوجه به گسترده‌بودن پلیمرها و رزین‌ها و همچنین نانومواد تقویت‌کننده و کاربردهای فراوان آنها موضوع نانوکامپوزیت های پلیمری بسیار گسترده می‌باشد. در توسعه مواد چند جزئی چه در مقیاس نانو و یا میکرو سه موضوع مستقل باید مورد توجه قرار گیرد: انتخاب اجزاء، تولید، فرآوری و کارایی در مورد نانوکامپوزیت‌های پلیمری هنوز در اول راه می‌باشیم و باتوجه به کاربرد نهایی آنها زمینه‌های بسیاری برای توسعه آنها وجود دارد. دو روش اساسی تولید این نانوکامپوزیت‌های پلیمری "روش‌های درجا" و روش " ورقه‌ای کردن " Exfoliation) ) می‌باشد. در روش درجا فاز تقویت‌کننده در زمینه پلیمری توسط روش‌های شیمیایی و یا جداسازی فازها تولید می‌شود. زمینه پلیمری به عنوان محلی برای تشکیل این اجزاء می‌باشد. به عنوان مثالی از این روش ها می‌توان تجزیه و یا واکنش شیمیایی مواد پیش‌سازه در زمینه پلیمری را نام برد. در حال حاضر ورقه‌ای‌کردن لایه‌های سیلیکاتی و نانوفایبرها/ نانولوله‌های کربنی توسط صنایع بسیاری مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. همچنین مؤسسات دولتی و دانشگاهی بسیاری بر روی این موضوع کار می‌کنند. درباره این موضوع در ادامه صحبت خواهیم کرد.

سیلیکات‌های لایه‌ای

سیلیکات‌های لایه‌ای (آلومینوسیلیکات‌های 2 به 1، فیلوسیلیکات‌ها، رس‌های معدنی و اسمکتیت‌ها) تا به امروز بیشترین کاربرد را در تحقیقات نانوکامپوزیت‌های پلیمری داشته است. سیلیکات‌های لایه‌‌ای ویژگی های ساختاری مانند میکا و تالک دارد و از آلومینوسیلیکات‌های هیدراته تشکیل شده است. در شکل (1 ) ساختار کریستالی آنها را مشاهده می‌کنید. نیزوهای واندروالس در بین لایه‌ها که حامل کاتیون‌ها می‌باشند ( M + ) لایه‌ها را که توسط پیوند کووالانسی به هم متصل‌اند را از هم جدا می‌سازد. این لایه‌ها ضخامتی در حدود 96/0 نانومتر دارند.

نانولوله های کربنی

برخلاف تحقیقات 25 ساله بر روی توزیع سیلیکات‌های لایه‌ای در پلیمرها، تحقیقات در زمینه توزیع نانولوله‌های کربنی در پلیمرها بسیار جدید می‌باشد. نانولوله‌های کربنی در حین افزایش و بهبود خصوصیات فیزیکی و مکانیکی پلیمرها باعث می‌شوند که خواص الکتریکی و گرمایی رزین‌ها نیز بهبود یابد. قطر این نانولوله‌ها می‌تواند از 1 تا 100 نانومتر باشد و نسبت وجهی (طول به قطر) بیشتر از 100 یا حتی 1000 باشد. مانند سیلیکات‌های لایه‌ای ماهیت غیرهمسانگردی این لوله‌ها باعث می‌شود که در کسر حجمی کمی از نانولوله ها رفتار جالبی در این نانوکامپوزیت‌ها پیدا شود. نانولوله‌های کربنی در دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند. نانولوله‌های تک‌دیواره و نانولوله‌های چنددیواره. علت علاقه به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و تلاش برای جایگزین‌کردن آنها در صنعت براساس محاسبات تئوری و تأییدات آزمایشگاهی بر خصوصیات عالی مکانیکی و رسانایی الکتریکی آنها مانند فلزات می‌باشد. با وجود متغیربودن نتایج آزمایش‌های تعیین مشخصات نانولوله‌های کربنی، تئوری‌ها نشان از عالی‌ بودن خواص نانولوله‌های کربنی دارند. به همین دلیل در چند سال اخیر نانولوله‌های کربنی در تولید و ساخت نانوکامپوزیت‌ها به عنوان فاز تقویت‌کننده به کار رفته‌اند. اگرچه اکثر مطالعات در زمینة نانوکامپوزیت‌های زمینة پلیمری بوده است، تلاش‌هایی نیز در ساخت نانوکامپوزیت‌های فلزی و سرامیکی شده است.در این مقاله سعی بر آن داریم که مروری بر تلاش‌های صورت گرفته در ساخت نانوکامپوزیت‌های تولید شده با استفاده از نانولوله‌های کربنی داشته باشیم و چالش‌های توسعه این نانوکامپوزیت‌ها را معرفی کنیم. رقابت بر روی توسعه روش‌های ساخت با هزینه کم، فرآوری نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و همچنین پایداری خصوصیات این نانولوله‌ها در حین فرآوری پلیمر- نانولوله، از موانعی هستند که سرعت پیشرفت در تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری پرشده با نانولوله‌های کربنی را محدود کرده‌اند. برعکس در دسترس‌بودن و تجاری‌بودن نانولوله‌های کربنی چنددیواره باعث شده است که پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه داشته باشیم. تاحدی که محصولاتی در آستانه تجاری‌شدن تولید شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌های کرینی چنددیواره (جایگزین Carbon-black ) در پودرهای رنگ استفاده شده است. استفاده از این نانولوله‌ها باعث می‌شود که رسانایی الکتریکی در مقدار کمی از فاز تقویت‌کننده حاصل شود و کاربرد آنها در پوشش‌دادن قطعات اتومبیل می‌باشد. یکی ازمعایب نانولوله‌های چنددیواره نسبت به تک‌دیواره‌ این است که استحکام‌دهی آنها کمتر می‌باشد زیرا پیوندهای صفحات داخلی ضعیف می‌باشند. در هر حال، درحال حاضر کاربردهایی که باعث استفاده از نانولوله‌ها در تقویت‌دادن پلیمرها می‌شود، بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می‌باشد تا بهبود خواص مکانیکی. بنابراین کاربرد نانولوله‌های کربنی چنددیواره بسیار زیاد می‌باشد. از نظر نظامی نیز فراهم‌کردن هدایت الکتریکی، و یا الکتریکی در فیلم‌ها و فایبرهای پلیمری فرصت‌های انقلابی بوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته‌های الکتریکی-مغناطیسی گرفته تا کامپوزیت‌های رسانای گرما و لباس‌های سربازهای آینده.

نانوکامپوزیت‌های با زمینه فلزی و سرامیکی

در مورد نانوکامپوزیت‌های بر پایه نانولوله‌های کربنی بیشترین تمرکز بر روی نانوکامپوزیت‌های با زمینه پلیمری بوده است. با این حال خواص منحصربه فرد نانولوله‌ها در سرامیک‌ها نیز می‌تواند به کار گرفته شود. سرامیک‌ها دارای سفتی و پایداری حرارتی بسیار بالا و چگالی پایین می‌باشند. یکی از مشکلات سرامیک‌ها در به‌کارگیری به عنوان اجزای سازه‌ای، ترد بودن آنها می‌باشد. بنابراین به نظر می‌رسد که نانولوله‌های کربنی بتوانند در افزایش چقرمگی سرامیک‌ها مؤثر باشند. ترکیب نانولوله‌های کربنی با سرامیک‌ها پتانسیل تولید موادی با مقاومت گرمایی، چقرمگی و مقاومت به خزش بالا را دارد. با استفاده از ذرات SiC و %10 وزنی نانولولة کربنی و استفاده از پرس در دمای بالا، نانوکامپوزیت‌هایی را تولید کرده‌اند که گزارش شده است این کامپوزیت‌ها‌ بهبودی10 درصدی در استحکام و چقرمگی شکست آن داشته‌اند. محققان دیگری نیز تکنیک‌هایی را برای ساخت نانولوله‌های کربنی به صورت درجا به هدف تولید پودرهای کامپوزیتی (نانولوله‌های کربنی/ اکسید فلزات) توسعه داده‌اند. سپس این پودرها به منظور تولید یک قطعه کامپوزیتی در دمای بالا فشرده شده‌اند. گروهی دیگر از محققان نیز از روش‌های الکترولیز برای تولید نانوکامپوزیت‌های با زمینه فلزی توسط نانولوله‌های کربنی استفاده کرده‌اند. این بررسی‌ها بهبود اندکی را در هدایت الکتریکی آلومینیوم با افزایش درصد حجمی نانولوله نشان می‌دهد. خواص مکانیکی و فیزیکی عالی نانولوله‌های کربنی، به همراه چگالی پایین آنها، کربن را به عنوان یک کاندیدای عالی برای استحکام‌دهی به کامپوزیت‌ها معرفی کرده است. درک کامل از رفتار حرارتی- مکانیکی نانوکامپوزیت‌های ساخته‌شده با نانولوله‌های کربنی، نیاز به آشنایی با رفتار الاستیک و خصوصیات شکست نانولوله‌های کربنی و همچنین فصل مشترک ماده در زمینه با نانولوله دارد. با این حال این نیازها در کامپوزیت‌های رایج نیز احساس می‌شود؛ فقط در حال حاضر ابعاد فاز تقویت‌کننده از میکرومتر به سمت نانومتر کاهش یافته است. همچنین با کاهش‌یافتن ابعاد، چالش‌هایی در فرآوری این کامپوزیت‌ها، تعیین مشخصات، اندازه‌گیری رفتار الاستیک و شکست آنها نیز وجود دارد. تحقیقات اولیه، پتانسیل بالای نانولوله‌ها را در تقویت‌کردن مواد نشان می‌دهد ولی مطالعات بنیادی برای رفع چالش‌های ذکرشده بسیار مهم می‌باشد.

چالش‌ها

در نانوکامپوزیت‌های پلیمری هدف نهایی، توزیع یکنواخت فاز تقویت‌کننده نانومتری می‌باشد. اساساً 4 روش برای تولید نانوکامپوزیت‌های یکنواخت وجود دارد: فرآوری محلولی، پلیمریزاسیون درجا، فرآوری مزوفازها و فرآوری مذاب. تحقیقات بسیاری در مورد این فرآیندها برای بررسی پارامترهای کنترل‌کننده مورفولوژی نانوکامپوزیت‌ حاصله با این روش‌ها وجود دارد. عملگری سطحی و عناصر نانویی به‌کاررفته در پلیمرها باید به گونه‌ای باشد که نرخ پلیمریزاسیون و محل شروع پلیمریزاسیون قابل کنترل باشد. زیرا درحین پلیمریزاسیون ممکن است عناصر نانویی تقویت‌کننده آگلومره شوند. نقطه کلیدی در تمام این فرآیندها مهندسی فصل مشترک بین پلیمر و نانوذره می‌باشد. برای این فرآیندها عموماً از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود. برای مثال از مولکول‌هایی که بصورت یونی با سطح نانوذرات پیوند داشته باشند (در سیلیکات‌های لایه‌ای) استفاده می‌شود و درمورد نانولوله‌های کربنی از پلیمرهایی که بصورت فیزیکی به آنها متصل می‌شوند استفاده می‌شود. این بهسازی‌های سطحی باعث می‌شوند که عکس‌العمل بین فصل مشترک‌ها بهبود یابد. بیشترین تلاش‌ها در حال حاضر بر روی بهسازهایی شده است که باعث می‌‌شود توزیع نانوذرات تسهیل یافته و بصورت یکنواخت توزیع شوند. در حال حاضر موضوعات با درجه بالای اهمیت در تحقیقات عبارتند از: درک دقیق و عمیق از منطقه فصل مشترک‌ فاز تقویت‌کننده و پلیمر، وابستگی خصوصیات فصل مشترک به شیمی سطح نانوذره، آرایش اجزاء و ارتباط بین منطقه فصل مشترک و خصوصیات نانوکامپوزیت‌ها. همچنین درک کلی از ارتباط مورفولوژی و خصوصیات حاصله در رفتار مکانیکی، گرمایی و مقاومتی بسیار کم می‌باشد.

نانوکامپوزیت‌های برپایه رس

مطالعه مواد مخلوط برپایه ترکیبات غیرآلی و لایه‌ای، مانند رس، از مدت‌ها پیش شروع شده است. اما با شناخته‌شدن خواص استثنایی این نانوکامپوزیت‌ها مطالعه آنها مجدداً جان تازه‌ای گرفته است. متغیرهای مهم و تأثیرگذار بر خواص این نانوکامپوزیت‌ها عبارتند از: نوع رس، انتخاب نوع عملیات اولیه بر روی رس، انتخاب پلی‌مر و روش به کاربردن پلیمر در ساخت نانوکامپوزیت‌. فاکتور آخری متأثر از فرآیند ساخت و با توجه به نوع کاربری استفاده‌کننده می‌باشد.

رس و بهینه ‌سازی آن

رس‌های معمولی مواد معدنی طبیعی می‌باشند که به خاطر طبیعی‌بودنشان ترکیب آنها متغیر می‌باشد. خلوص رس می‌تواند بر روی خصوصیات نهایی نانوکامپوزیت‌ تأثیرگذار باشد. اغلب رس‌ها آلومینوسیلیکات می‌باشند که ساختاری ورقه‌ای دارند و ساختار آنها حاصل از اتصال SiO 4 و AlO 6 به صورت‌های مختلف می‌باشد. چنانچه نسبت SiO 4 به AlO 6 2 به 1 باشد، رس‌های اسمکتیت حاصل می‌شود که رایج‌ترین نوع رس بوده و مونت‌موریلونیت نامیده می‌شود. فلزات دیگری مانند منیزیم نیز می‌تواند جایگزین آلومینیوم شود. با توجه به ترکیب شیمیایی رس، سطح و لبه‌ها باردار می‌شود. این بار با یون‌های داخلی رس بالانس می‌شود. ضخامت این لایه‌ها (صفحات) در حدود یک نانومتر می‌باشد و نسبت وجهی (Aspect ratio) بسیار بالایی دارند که عمدتاً در محدودة 100 تا 1500 می‌باشد. این صفحات رسی عمدتاً به صورت توده ‌ای می‌باشند. باید توجه داشته باشیم که وزن مولکولی این صفحات نسبت به پلیمرها بسیار بیشتر می‌باشد. علاوه بر این، این صفحات صلب نمی‌باشند بلکه مقداری انعطاف‌ دارند. این رس‌ها عمدتاً مساحت سطحی بالایی دارند(بیشتر از صدها مترمربع بر گرم). یکی دیگر از مشخصات این رس‌ها ظرفیت تبادل یونی آنها (مثلا کاتیون) می‌باشد که در محدودة وسیعی تغییر می‌کند. یکی از منتجات بارداربودن رس‌ها ماهیت "هیدروفیلیک‌بودن" آنها می‌باشد که باعث می‌شود با بسیاری از پلیمرها ناسازگار باشد. یک پیش‌نیاز مهم برای ساخت موفق نانوکامپوزیت‌های پلیمر- رس تغییر قطبیت رس می‌باشد. بصورتی که "ارگانوفیلیک" شوند. یک رس ارگانوفیلیک از رس هیدروفیلیک به این صورت تهیه می‌شود که تبادل یونی با یک کاتیون آلی مثل یون آلکیل آمونیوم انجام می‌شود. برای مثال در مونت‌موریلونیت یون‌های سدیم در رس می‌توانند با یک آمینواسید مثل 12-آمینودودکانوئیک (ADA) جایگزین شوند.
Na + - Clay+HO 2 C-R-NH 3 + Cl - HO 2 C-R-NH 3 + -Clay +NaCl
روشی که این عمل انجام می‌شود، تأثیر بسیار مهمی بر تشکیل نانوکامپوزیت‌های ذره‌ای دارد. در مورد این موضوع بحث خواهد شد. همچنین عملیات اولیه بر روی رس توسط مواد آلی بر قیمت رس می‌افزاید. این رس‌ها عمدتاً ارزان بوده و محدودیتی برای تهیه آنها وجود ندارد. مونت‌موریلونیت رایج‌ترین نوع رس برای ساخت نانوکامپوزیت‌ها می‌باشد. با این‌حال از انواع دیگر رس می‌توان برای ساخت نانوکامپوزیت‌ استفاده کرد. این موضوع بستگی به خصوصیات نهایی مورد نظر از محصول دارد. این رس‌ها عبارتند از هکتوریت‌ها (سیلیکات‌های منیزیمی) که از صفحات بسیار کوچکی تشکیل می‌شود. و رس‌های مصنوعی مثل هیدروتالسیت‌ها که می‌تواند بصورت بسیار خالص تهیه شود و از صفحات بسیار کوچکی تشکیل می‌شود. صفحات این نوع رس می‌تواند بار مثبت داشته باشند. در حالی که مونت‌موریلونیت‌ها حامل بار منفی می‌باشند.

فرآوری نانوکامپوزیت‌های رسی

انتخاب روش‌ ساخت نانوکامپوزیت‌ بستگی به نوع مخلوط مورد نیاز دارد. رس می‌تواند بصورت "مجتمع" توزیع شود و یا بصورت "ورقه‌ای" توزیع شود (شکل(1)). در حالت اول مادة آلی بین لایه‌های رس نفوذ می‌کند ولی فاصله آنها فقط مقدار کمی افزایش می‌یابد و همچنان به موازات هم باقی خواهند ماند. در حالت ورقه‌ای لایه‌های رسی کاملاً از هم جدا شده و تک‌لایه‌ها در ماتریس ماده آلی توزیع می‌شوند. در حالت دیگر ذرات رس (tactoids) می‌توانند در ماتریس پلیمری توزیع شوند ولی در این حالت فقط نقش پرکننده را بازی می‌کنند.

فاکتورهای مؤثر بر مخلوط رس- ماده آلی

در سال‌های اخیر مطالعات فراوانی بر روی پارامترهای کنترل‌کننده ساختار ورقه‌ای و یا مجتمع‌ لایه‌های رسی از مخلوط رس - ماده آلی انجام شده است. باتوجه به اینکه نانوکامپوزیت‌های رسی می‌توانند بر روی خواص متعددی بهبود داشته باشند، مطالعه فاکتورهای ورقه‌‌ای‌شدن رس بسیار مهم می‌باشد. این فاکتورها عبارتند از ظرفیت تبادل یونی رس، قطبیت محیط واکنش و ماهیت شیمیایی کاتیون‌های بین لایه‌ای (مثل یون‌های اونیم). با بهسازی قطبیت سطحی رس‌ها،‌یون‌های اونیم اجازه نفوذ پلیمرها را به منطقه بین لایه‌های رس‌ها می‌دهد. توانایی یون‌های اونیم برای کمک‌کردن به ورقه‌ای‌شدن رس بسیار مهم می‌باشد. برای رس‌هایی که حامل بار مثبت می‌باشند،‌ مثل هیدروتالسیت، به جای بهسازی با نمک اونیم از یک سورفکتانت آنیونی ارزان‌تر استفاده می‌شود. از روش‌های دیگر بهسازی رس نیز می‌توان استفاده کرد که بستگی به نوع پلیمر دارد. مثل عکس‌العمل یون- دوقطبی، عامل‌های کوپل‌کننده سیلان و به‌کاربردن بلاک کوپلیمرها. به عنوان مثالی از عکس‌العمل‌ یون – دوقطبی می‌توان تجمع مولکول‌های کوچک مثل دودسیل پیرولیدون را در رس نام برد. جابجایی این مولکول‌های پلیمری براساس تفاوت آنتروپی می‌باشد. از واکنش‌های غیرمطلوب لبه‌های رس با پلیمرها توسط عامل‌های کوپل‌کننده سیلانی جلوگیری می‌شود. علاوه براین می‌توان از رس‌های بهسازی‌شده با یون‌های اونیوم استتفاده کرد. یک روش دیگر برای سازگارکردن رس‌ها با پلیمرها توسط TNO ارائه شده است. در این روش از کوپلیمرهای graft و یا block استفاده می‌شود. یک جزء این کوپلیمرها با رس سازگار می‌باشد و جزء دیگر با ماتریس پلیمری. مثالی از این موضوع در شکل زیر آورده شده است (شکل (2)). با استفاده از این روش می‌توان به درجه ورقه‌ای‌شدن بالایی رسید.

پلیمر

انتخاب صحیح رس بهسازی‌شده برای نفوذ موثر پلیمر، بین لایه‌های رس بسیار ضروری می‌باشد. درحقیقت توسعه مواد شیمیایی سازگارکننده رس‌ها، بدون شک کلید توسعه این نانوکامپوزیت‌ها می‌باشد. برای ماتریس این نانوکامپوزیت‌ها می‌توان از پلیمرها و یا منومرها استفاده کرد. در مورد دومی بصورت درجا عمل پلیمریزاسیون انجام می‌شود و نانوکامپوزیت‌ رس- پلیمر تشکیل می‌شود. تا به امروز موفق‌ترین روش برای ساخت نانوکامپوزیت‌ها روش اولی می‌باشد. اگرچه ممکن است کارایی آنها را محدود کند. پلیمرها را می‌توان بصورت مخلوط‌کردن در مذاب: برای مثال اکسترودکردن و یا بصورت حل‌کردن، به رس‌ها اضافه کرد. مخلوط‌کردن در مذاب نیاز به نیروی برشی برای ورقه‌ای‌شدن رس دارد و تأثیر آن در تولید نانوکامپوزیت ورقه‌ای نسبت به پلیمریزاسیون درجا بسیار کمتر می‌باشد. از هردو نوع پلیمرهای ترموپلاستیک و ترموست می‌توان برای ساخت نانوکامپوزیت‌ها استفاده کرد. مثل • نایلون‌ها
• پلی‌اولفین‌ها مثل پلی‌پروپیلن‌
• پلی‌استیرن
• کوپلیمرهای اتیلن- وینیل استات (EVA)
• رزین‌های اپوکسی
• پلی‌اورتان
• پلی‌ایمیدها
• پلی‌ (اتیلن‌ ترفئالات) (PET)

نانوکامپوزیت‌های رس- نایلون

اولین مثالی که به روش پلیمریزاسیون درجا و توسط تویوتا استفاده شد،‌ ساخت نانوکامپوزیت‌های رس- نایلون می‌باشد و این سیستم احتمالاً بیشتر از بقیه مورد مطالعه قرار گرفته است. به عنوان مثال رس بهسازی‌‌شده با ADA در منومر کاپرولاکتام توزیع می‌شود. سپس پلیمریزاسیون انجام می‌شود و مخلوط نایلون -6- رس کامپوزیتی را بصورت ورقه‌ای تشکیل می‌دهد. ورقه‌ای‌شدن کامل هنگامی اتفاق می‌افتد که منومرها به داخل رس نفوذ کنند. در این نانوکامپوزیت‌ها غلظت رس بسیار کم می‌باشد. زیرا غلظت بالای رس باعث افزایش ویسکوزیته سیستم می‌شود و فرآوری آن مشکل خواهد بود. از نایلون‌ها و کوپلی‌آمیدهای دیگری نیز در ساخت نانوکامپوزیت‌های رسی استفاده شده است. مثلاً گروه‌های هیدروکسیل در رس‌های بهسازی‌شده با اونیم‌ها باعث بهبود سازگاری نایلون می‌شود. این موضوع به علت باندهای هیدروژنی می‌باشد. که باعث بهبود خواص نانوکامپوزیت‌ می‌شود. برای سیستم‌های پلیمری دیگر بهسازی با عوامل دیگری انجام می‌شود. مثلاً در مورد کوپلیمرهای اتیلن- وینیل الکل (EVOH) یون‌های آمونیوم 4 تایی هیدروکسیله‌شده سازگاری بین رس و EVOH را بهبود می‌دهد. در نانوکامپوزیت‌های پلی‌پروپیلن (PP) ،‌از پلی‌پروپیلن graft شده با مالئیک انهیدرید به عنوان سازگارکننده استفاده می‌شود. آغازگرهای پلیمریزاسیون می‌تواند از طریق تبادل یون به رس متصل شود.
ترموپلاستیک‌های دمابالا در نانوکامپوزیت‌ها
برای تهیه نانوکامپوزیت‌ها از ترموپلاستیک‌های دمابالا در استفاده از بهسازهای اونیومی محدودیت وجود دارد. زیرا آلکیل‌ آمونیوم‌ها در حین فرآوری پایداری لازم را ندارند. برای حل این مشکل می‌توان به جای نمک‌های آمونیومی از نمک های ایمیدازولیم همان‌طور که در شکل (3) نشان داده شده است، استفاده کرد. یک جایگزین دیگر به‌کاربردن نمک فسفونیوم به جای نمک‌های آمونیوم می‌باشد، که می‌تواند منجر به پایداری رس- الی از دماهای C ْ300- 200 به بالاتر از C ْ300 شود. با استفاده از این روش‌ها شرکت Triton Systems موفق به تولید نانوکامپوزیت‌ها با رزین‌هایی مثل پلی‌اترایمیدها (PEI) شده است.

آینده نانوکامپوزیت‌های رسی

از اهداف آینده مورد نظر می‌‌توان به توسعه سیستم‌های پلیمری موجود در این نانوکامپوزیت‌ها و همچنین توسعه مواد سازگارکننده، اشاره کرد. توسعه نانوکامپوزیت‌های بر پایه PVC و PET نیز از موضوعات مورد تحقیق می‌باشد. تقویت نانوکامپوزیت‌های رسی با فایبرگلاس اخیراً مورد بررسی قرارگرفته است. همچنین در رساناکردن نانوکامپوزیت‌های رسی علاقه فراوانی وجود دارد

رآکتور هسته ای و کارکرد آن

رآکتور هسته ای و کارکرد آن

واکنشگاه هسته‌ای یا «رآکتور اتمی» دستگاهی برای انجام دادن واکنشهای هسته‌ای به صورت تنظیم شده و تحت نظارت است. این دستگاه در اندازه‌های آزمایشگاهی، برای تولید ایزوتوپهای ویژه مواد پرتوزا (رادیواکتیو) و همین طور پرتو - داروها برای مصارف پزشکی و آزمایشگاهی؛ و در اندازه‌های صنعتی برای تولید برق ساخته می‌شود. واکنشهای هسته‌ای به دو صورت «شکافت» و «همجوشی»، بسته به نوع مواد پرتوزای استفاده شده، انجام می گیرد.
واکنشگاه ها - بسته به اینکه چه نوع کاربردی داشته باشند - از یکی از این دو نوع واکنش بهره می‌گیرند. در واکنشگاه، دو میله ماده پرتوزا - یکی به‌ عنوان سوخت و دیگری به ‌عنوان آغازگر – به کار می‌رود. میزان این دو ماده - بسته به نوع واکنش و اندازه واکنشگاه و نوع فراورده نهایی - بدقت محاسبه و بررسی می‌شود. در واکنشگاه هسته‌ای، همیشه دو عنصر پرتوزا به یک یا چند عنصر پرتوزای دیگر تبدیل می‌شوند که این عناصر به دست آمده یا مورد مصرف صنعتی یا پزشکی دارند یا به صورت پسماند هسته‌ای نابود می‌شوند.
حاصل این فرایند مقادیر زیادی انرژی است که به صورت امواج اتمی و الکترومغناطیس آزاد می‌شود. این امواج شامل ذرات نوترینو، آلفا، بتا، پرتو گاما، امواج نوری، فروسرخ، است که باید به طور کامل بررسی شوند. امواج آلفا و بتا و گامای تولیدی از واکنش هسته‌ای به ‌عنوان محرک برای ایجاد واکنشهای هسته‌ای دیگر، در رآکتورهای مجاور، برای تولید ایزوتوپهای ویژه به کار می رود.
انرژی گرمایشی حاصل از این واکنش و تبدیل این عناصر پرتوزا در واکنشگاه‌های صنعتی برای تولید بخار آب و تولید برق به کار می‌رود. برای نمونه، انرژی حاصل از واکنش یک گرم اورانیوم معادل انرژی گرمایشی یک میلیون لیتر نفت خام است. قابل تصور است که این میزان انرژی با توجه به سطح پایداری ماده پرتوزا در واکنشهای هسته‌ای تا چه میزان مقرون به صرفه خواهد بود.
با این حال، مشکلات استخراج و آماده سازی و نگهداری و ترابری مواد پرتوزای به کار رفته در واکنشگاه‌های تولید برق و دشواریهای زیست بومی که این واکنشگاهها ایجاد می‌کنند باعث افزایش نیافتن گرایش بشر به تولید برق از طریق این انرژی شده است. باید توجه داشت که میزان تابش در اطراف واکنشگاه‌های هسته‌ای به اندازه‌ای بالاست که امکان زیست برای موجودات زنده در پیرامون واکنشگاه‌ها وجود ندارد. به همین علت، برای هر یک از رآکتورهای هسته‌ای پوششهای بسیار ضخیمی از بتون همراه با فلزات سنگین برای جلوگیری از نشت امواج الکترومغناطیس به بیرون ساخته می‌شود.
مشکلاتی که نشت مواد پرتوزا از واکنشگاه نیروگاه اتمی «چرنوبیل» در دهه ۸۰ میلادی به وجود آورد خود گواهی بر این مدعاست.

کاربرد تابشهای پرتوزا

بسیاری از محصولات تولیدی واکنش شکافت هسته‌ای بشدت ناپایدارند و در نتیجه، قلب رآکتور محتوی مقادیر زیادی نوترون پرانرژی، پرتوهای گاما، ذرات بتا، همچنین ذرات دیگر است. هر جسمی که در رآکتور گذاشته شود تحت مباران این همه تابشهای متنوع قرار می‌گیرد.
یکی از موارد استعمال تابش رآکتور تولید پلوتونیوم ۲۳۹ است . این ایزوتوپ نیمه عمری در حدود ۲۴۰۰۰ سال دارد و به مقدار کمی در زمین یافت می‌شود. پلوتونیوم ۲۳۹ از لحاظ کارایی شکافت خاصیتی مشابه اورانیوم دارد. برای تولید پلوتونیوم ۲۳۹، ابتدا اورانیوم ۲۳۸ را در قلب رآکتور قرار می‌‌دهند که در نتیجه واکنشهایی که صورت می‌‌گیرد اورانیوم ۲۳۹ به وجود می‌‌آید. اورانیوم ۲۳۹ ایزوتوپی ناپایدار است که با نیمه عمری در حدود ۲۴ دقیقه، از طریق گسیل ذره بتا، به نپتونیوم ۲۳۹ تبدیل می‌شود. نپتونیوم ۲۳۹ نیز با نیمه عمر ۲/۴ روز و گسیل ذره بتا واپاشیده و به محصول نهایی یعنی پلوتونیوم ۲۳۹ تبدیل می‌شود. در این حالت، پلوتونیوم ۲۳۹ همچنان با مقادیری اورانیوم ۲۳۸ آمیخته است؛ اما این آمیزه چون از دو عنصر مختلف تشکیل شده است، بروش شیمیایی مناسب جدا سازی است.
امروزه، با استفاده از تابش رآکتور، صدها ایزوتوپ مفید می‌توان تولید کرد که بسیاری از این ایزوتو‌های مصنوعی را در پزشکی به کار می برند. آثار زیانبار انفجارهای اتمی و پرتوهای ناشی از آن باعث آلودگی آبهای زیرزمینی و زمینهای کشاورزی و حتی محصولات کشاورزی می‌شود؛ ولی با همه این مضرات، اورانیوم عنصری است ارزشمند، زیرا در کنار همه سوءاستفاده‌ها می‌‌توان از آن به بهترین نحو و مطابق با معیارهای بشردوستانه استفاده کرد. فراموش نکنید که از اورانیوم و پلوتونیوم می‌‌توان استفاده‌های صلح آمیز نیز داشت؛ زیرا از انرژی یک کیلوگرم اورانیوم ۲۳۵ می‌‌توان چهل هزار کیلووات ساعت الکتریسیته تولید کرد که معادل مصرف ده تن زغال سنگ یا ۵۰۰۰۰ گالن نفت است.

آشنایی با اجزای رآکتورهای هسته ای

در حالى که تولید انرژى با استفاده از سوختهاى فسیلى در جهان روز بروز گرانتر مى شود، برق هسته اى که در نیروگاههاى هسته اى و با استفاده از واکنش شکافت هسته اى تولید مى شود منبع بسیار خوبى براى تولید انرژى و جایگزینى آن با برق فسیلى به شمار مى رود. تولید برق به روش هسته اى - ضمن آنکه پایان ناپذیر است - گازهاى گلخانه اى هم تولید نمى کند. تنها مشکل آن زباله هاى هسته اى است که در صورتى که از آنها درست محافظت کنیم، عملاً هیچ ضررى براى محیط زیست ندارد.

رآکتورهاى شکافت:

بر اثر شکافت هسته هاى سنگین مثل اورانیوم و تبدیل آن به هسته هاى سبکتر و پرتوهای آلفا یا بتا و نوترون، مقدارى انرژى جنبشى هم آزاد مى شود. اگر جرم محصولات شکافت را از جرم ماده ابتدایی کم کنیم، مقدار ناچیزى باقى مى ماند. این مقدار ناچیز طبق معادله معروف «اینشتین»، E=mc2، تبدیل به انرژى جنبشى مى شود. گرماى تولید شده با شکافت در قلب رآکتور با میله هایى تنظیم مى شود. نوترونها تحریک کننده شکافت اند.
با قرار دادن جذب کننده هاى نوترونى بین اورانیوم مى توان میزان فرایند شکافت و سرعت آن و در نتیجه شدت گرماى تولیدشده را مهار کرد. گرماى حاصل با آب به بیرون از رآکتور منتقل مى شود. دماى آب درون چرخه تحت فشار گاهى به چندین برابر نقطه جوش مى رسد. در بیرون از رآکتور، این گرما آب موجود در منبع دیگر را بخار مى کند و بخار آب تولید شده با انرژى زیادى که دارد توربینهاى بخار را به حرکت در مى آورد و برق تولید مى شود.

قلب رآکتور:

فرایند شکافت معمولاً نوترونهاى سریع تولید مى کند؛ اما براى اینکه هسته اورانیوم شکافته شود، به نوترون کند نیاز است. براى این کار، از کندکننده هاى نوترونى استفاده مى شود. گرافیت و آب سنگین توان این کار را دارند.

واکنش زنجیره اى:

هر نوترون کند اورانیوم را مى شکافد؛ حاصل علاوه بر هسته هاى کوچکتر تعدادى نوترون است که خود هسته هاى اورانیوم دیگر را مى شکافد. به این فرایند واکنش زنجیره اى مى گویند که اساس کار رآکتور است.

نخستین رآکتورهاى هسته اى:

فرمى و زیلارد نخستین کسانى بودند که توانستند واکنش زنجیره اى کاملی را در رآکتوری هسته اى انجام دهند. آنها در دهه ۱۹۴۰ که روى طرح ساخت بمب هسته اى براى ایالات متحده (منهتن) کار مى کردند در دانشگاه شیکاگو و در آزمایشگاهشان این کار را انجام دادند؛ اما در سال ۱۹۵۵ که اندیشه اقتصادى شدن انرژى هسته اى رواج یافت، آنها این کشف را در اداره اختراعات و اکتشافات ایالات متحده ثبت کردند.

انواع رآکتورها:

رآکتورها از لحاظ سرعت عملشان به دو دسته تقسیم مى شوند:
1 ـ رآکتورهاى گرمایى؛ که سرعت کمى دارند و فرایند شکافت و تولید گرما در آنها به آرامى انجام مى شود. بیشتر این رآکتورها استفاده صلح آمیز دارند.
۲- رآکتورهاى سریع: هدف اصلى این رآکتورها تولید سوخت لازم براى سلاحهاى هسته اى است. پلوتونیوم و اورانیوم ۲۳۵ از محصولات این رآکتورهاست

راکتورهای هسته ای

مقدمه:

شکافت هسته ای اتم اورانیم 235 در واقع در اثر نفوذ یک نوترون حرارتی به درون هسته یک اتم سنگین است که باعث شکافت آن به دوپاره از هسته های جدید و سبکتر می گردد. در ضمن در عمل شکافت به طور متوسط 2-3 نوترون ایجاد شده و مقداری انرژی تابشی گاما آزاد می گردد. انرژی سینتیک محصولات شکافت و نوترون ها به مواد اطراف خود از طریق برخورد و جذب پرتو به تولید گرما منجر خواهد شد. انرژی آزاد شده از هر شکافت حدود 11-10*3.2 ژول است در حالیکه تولید انرژی از منابع متعارف سوخت فسیلی که حاصل تشکیل یک مولکول دی اکسید کربن هست حدود
19-10*6.7 می باشد.
نوکلوییدهای غیر قابل شکافت هم در طی فرآیندهای بالا با دریافت و یا برخورد با یک نوترون با ایزوتوپ هایی به تعداد نوترون بالاتر تبدیل خواهد شد. بدین ترتیب رادیونوکلوئید های جدیدی خواهیم داشت که درمیان آنها پاره های شکافت مواد شکافت پذیر جدیدی مثل اورانیم235، پلوتونیم 239 وجود داشته و پلوتونیم 241 نیز به طور مصنوعی می تواند زایش پیدا کند.
این فرآیندهای فیزیکی در راکتورهای هسته ای اتفاق می افتد. درون میله های سوخت فرآیندهای شکافت و زایش در اثر واکنش زنجیره ای صورت می گیرد و واکنش با تولید نوترون به طور دائم ادامه می یابد.
راکتورهای هسته برای اهداف فراوانی طراحی و ساخته می شوند که بعضی از آنها عبارتند از:
- راکتورهای تولید حرارت و برق
- راکتورهای کِشنده
- راکتورهای تحقیقاتی
- راکتورهای تولید پلوتونیم
- راکتورهای اختصاصی برای مقاصدی همچون ساخت زیردریایی، فضا پیما، آب شیرین کن و...
ساختار عمومی راکتورهای هسته ای:
بخش مرکزی راکتور هسته ای جدا از آزمایشگاه ها، بخش های جانبی و خدماتی آن از یک ساختمان ویژه ای تشکیل شده است که ویژگی آن نه فقط به دلیل جادادن وسایل خاص راکتور، بلکه به لحاظ استحکام، ویژگی مصالح ساختمانی، ایزوله یا منزوی بودن از محیط زیست، مقاومت در مقابل زلزله، خوردگی و دسترسی به سرویس های مخصوص کاملاً استثنایی است.
یک راکتور هسته ای جدا از سازه های ساختمانی به طور کلی از قسمت های زیر تشکیل شده است:
1 ـ مجموعه های سوخت
2 ـ کند کننده ها
3 ـ خنک کننده ها
4 ـ سیستم های ایمنی
5 ـ میله های کنترل
6 ـ حفاظ های مختلف
در اینجا به بحث مختصری درباره ی هرکدام از این قسمت ها پرداخته می شود:
1 ـ مجموعه های سوخت
سوخت یک راکتور هسته ای را ممکن است شامل آنچه که در قلب راکتور به عنوان سوخت وجود دارد در نظر گرفت. به عبارت واقعی تر سوخت راکتور در چندین مجموعه سوخت و هر مجموعه متشکل از چندین میله سوخت و هر میله شامل تعداد معینی از قرص ها یا حبه های مواد شکافت پذیر هسته ای مثل اورانیم و یا در بعضی موارد پلوتونیم می باشد. میله های سوخت در راکتور به صورت صفحه ای(Plate) و غنای اورانیم 235 تا 95 درصد می رسد. هرمیله ی سوخت از غلاف زیر کالوی و شامل قطعاتی از قرص های دی اکسید اورانیم است. زیر کالوی 2 تا 4 یک آلیاژ زیر ******یم با عیار کمی از قلع، آهن، کرم و نیکل است؛ میله های سوخت ممکن است به صورت انفرادی در جاهای مخصوص خود گذاشته شود و یا ممکن است به صورت مجموعه های سوخت درون قلب راکتور به طور منظم قرارگیرند.
سوخت راکتور مخصوصاً راکتورها مخصوصا راکتورهای قدرت به طور اصولی یا از عناصری شامل اتم های قابل شکافت تامین می شوند و یا از اتم های ایزوتروپ عناصری که قابلیت تبدیل به اتم های قابل شکافت را دارند بنابراین اتم های قابل شکافت عبارتند از:

اورانیم 235 ، پلوتونیم 239 و اورانیم 233

اتم های مستعد با قابلیت تبدیل به اتم های قابل شکافت عبارتند از: اورانیم 238 و توریم 232
سوخت راکتورها از نظر فرآیندهای استفاده در راکتورها بر اساس استراتژی کشور ممکن است به یکی از سه روش زیر عمل گردد:
• یکبار استفاده از اورانیم و ارسال سوخت مصرف شده به انبار موقت و سپس دفن همیشگی آن
• استفاده چندباره از اورانیم و برقراری سیکل اورانیم-پلوتونیم با اعمال عملیات باز فرآوری روی آن
• استفاده از سیکل اورانیم-توریم به این معنی که توریم 232 ابتدا تبدیل به اورانیم 233 می شود و سپس این اورانیم به عنوان سوخت در راکتورها مورد استفاه قرار می گیرد.

2 ـ کند کننده ها

کند کننده ماده ای است که برای کند کردن نوترون های سریع تا انرژی های حرارتی در راکتورهای هسته ای مورد استفاده قرار می گیرند. گاهی اوقات همین کندکننده ها عمل سرد کنندگی راکتور را هم انجام می دهد. موادی که می توانند به عنوان کننده مورد استفاده قرارگیرند عبارتند از: آب، آب سنگین، گرافیت و گاهی اوقات هم بریلیوم آب به دلیل داشتن هیدروژن که عنصری سبک است و نیز فراوانی و ارزانی آن مورد استفاده قرار می گیرد. به طور کلی هرچه ماده کندکننده دارای قابلیت کندکنندگی بهتری برای نوترون ها باشد درجه کمتری از سوخت غنی شده مورد نیاز خواهد بود. آب سنگین بهتر از گرانیت و گرانیت بهتر از آب دارای خاصیت کندکنندگی است، ولی تولید آب سنگین نسبتاً گران است و گرانیت هم تاثیرات نامطلوبی در نتیجه در نتیجه پرتوگیری از خود بروز می دهد.
مشخصات یک کند کننده خوب:• نوترون ها نباید با کندکننده واکنش نشان دهد، چون در اینصورت بازدهی تولید نوترون کاهش یافته و راکتور به سمت خاموشی می رود.
• نوترون ها باید در محیط کندکننده ها در فاصله های کوتاهی پس از چند برخود کند شوند زیرا در غیر اینصورت، نوترون توسط اورانیم 238 گیر افتاده و موجب تشدید ناخالصی های کند کننده می شود که این وضعیت اقتصادی نیست.
• گرچه کند کننده ها باید ارزان باشند ولی در عین حال خواص ساختاری آنها باید رضایت بخش هم باشد.
• کندکننده باید با سایر مواد ساختاری راکتور سازگار باشد و نباید خواص خورندگی، سایندگی و یا تحت تاثیر پرتوهای رادیواکتیو قرار گیرد.
• کندکننده طی فرآیند دائمی بمباران های نوترونی نباید تحت تاثیرات و تغییرات نامطلوب فیزیکی یا شیمیایی قرار گیرد.
• یک کند کننده خوب باید به طور مؤثر نوترون های سریع حاصل از شکافت را به نوترون های حرارتی تبدیل کند.

3 ـ خنک کننده ها:

خنک کننده برای انتقال حرارت از میله های سوخت به طور مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد. این فقط در صورتی است که خنک کننده نقش کند کننده هم داشته باشد. در مواردی که ماده کند کننده دیگری مورد استفاده است در این صورت انتقال حرارت معمولا توسط خنک کننده مستقیماً از کندکننده و غیر مستقیم یا در بعضی موارد مستقیم از میله های سوخت انجام می پذیرد. اکثراً آب به عنوان سرد کننده مورد استفاده قرار می گیرد. به هر حال گاهی اوقات آب سنگین، فلزات مایع(سدیم و پتاسیم) یا حتی گازها(دی اکسیدکربن) هم ممکن است مورد استفاده واقع شوند. امروزه در اکثر راکتورهای تجاری آب به عنوان سردکننده مورد استفاده قرار می گیرد. در اینصورت آب علاوه بر نقش سرد کنندگی وظیفه کند کنندگی را نیز انجام می دهد.
خواص ایده آل برای یک خنک کننده:• سطح مقطع جذب نوترونی کوچکی داشته باشد، در این صورت میزان تابش رادیواکتیویته در حین کارگردانی اپراتوری کاهش می یابد.
• فراوان و ارزان باشد.
• غیرخورنده یا خوردگی کمی داشته باشد، چون لوله ها و ساختارهای دیگر که با آن در تماس هستند باید سالم بمانند.
• ضریب انتقال حرارتی بالا داشته باشد. به این ترتیب حرارت به سهولت به سرد کننده انتقال یافته و جابجا خواهد شد.
• ویسکوزیته یا غلظت کم داشته باشد که سبب کاهش مصرف کمتر برق برای پمپ کردن آن می شود.
• دارای توانایی نگهداری درجه حرارت های بالا به صورت مایع، حتی اگر تحت فشار باشد.
خنک کننده هایی که در راکتورهای تحقیقاتی یا تجاری استفاده شده اند عبارتند از:
• آب سبک یا سنگین(اولی شامل دو اتم هیدروژن است و دومی شامل دو یا یک اتم دوتریم می باشد)
• فلز مایع (مثل سدیم، پتاسیم یا آلیاژی از ترکیب هر دو)
• مواد آلی مایع (مثل اتانول، پروپان، پنتان، هوا یا گاز دی اکسید کربن)

4 ـ سیستم های ایمنی در راکتور

وظایف دستگاه ها و سیستم های کنترل(I&C) در راکتورهای هسته ای شامل اندازه گیری، کنترل، تنظیم، چک کردن و حفاظت است. عملیات اجرایی راکتور بر اساس نیازهای فیزیکی، شیمیایی، فرآیندهای مهندسی و اپراتوری است که به عهده سیستم ها و دستگاه های آن گذاشته شده است. سیستم دستگاهی و کنترل ممکن است به دوبخش ایمنی و اپراتوری یا کارگردانی تقسیم شوند. حفاظت راکتور و محیط زیست به عهده سیستم های ایمنی گذاشته شده است. این سیستم¬ها غالبا در مواقع ضروری کارمی کنند و در دوران بهره برداری و خارج از وضعیت اضطراری اکثرا غیرفعال هستند. قابلیت عملکرد این دستگاه های نصب شده اضافی دائما بطور خود مونیتورینگ و تست های دوره ای بررسی می شوند. کنترل قدرت راکتور معمولا در بخشی از I&C ایمنی ملحوظ و منظور می گردد. کنترل و دستگاه های اوپراتوری شامل تمام سیستم هایی است که کارگردانی و یا عملکرد طبیعی و بدون خطر یک راکتور هسته ای را تضمین و مطمئن می سازد. به همین دلیل ممکن است آنرا به گروه های اجرایی وکارهای پیچیده ای که در خط فرآیند است تقسیم نمود.

5 ـ میله های کنترل

میله های کنترل برای تنظیم توزیع قدرت در راکتور در زمان اپراتوری مورد استفاده قرار می گیرند. مهمترین وظیفه میله های کنترل که بین میله های سوخت قرار می گیرند، برای خاموش کردن یا متوقف کردن فرآیند شکافت هسته ای در زمان هایی که لازم است، چنین عملی انجام شود. خاموش کردن راکتور می تواند از طریق کنترل اتوماتیک یا توسط اپراتور انجام پذیرد. میله های کنترل از موادی ساخته شده اند که خیلی سریع با جذب نوترون ها واکنش های هسته ای را متوقف می کنند. موادی که به این منظور استفاده می شوند عبارتند از کربور نقره، ایندیم، کادمیم و هافنیوم. میله های کنترل به داخل وخارج از میله های سوخت حرکت کرده و نرخ واکنش هسته ای را تنظیم می نمایند.
در راکتورهای هسته ای دونوع کنترل وجود دارد:
• کنترل آرام، برای جلوگیری از به وجود آمدن قدرت زیاد و برقراری قدرت متعادل راکتور. این کنترل بیشتر توسط محلول های برن و یا افزایش یا کاهش آن در کندکننده ها اعمال می گردد.
• کنترل سریع، برای کاهش سریع قدرت راکتور و یا خاموش کردن راکتور از مجموعه میله های کنترل که ممکن است به صورت دستی یا اتوماتیک باشند استفاده می شود. در مواقع اضطراری، میله های کنترل با شتاب به صورت اتوماتیک به داخل میله های سوخت سقوط می کنند و سبب خاموشی راکتور می گردند.

6 ـ حفاظت راکتور

وظیفه سیستم حفاظت از راکتور اطمینان از آشکارسازی تمام حوادث پیش بینی شده در طراحی و اعتماد از امکان انجام عملیات حفاظتی می باشد. این برنامه و تمهیدات باید اطمینان دهد راکتور همیشه بطور ایمن کار می کند. حوادث، بخش هایی از یک حادثه بزرگتر هستند که به کارگردانی راکتور دیکته می کند که به دلایل ایمنی کار راکتور باید قطع شود. بنابراین داده های آنالوگ سیستم ارزیاب، فرآیندهای ویژه منجر به حادثه احتمالی را شناسایی کرده و از طریق یک سیستم دیگر علائمی را تولید می کند که نشان می دهد حدود آن نارسایی ها و یا اشکالات از حد معینی فراتر رفته است. این علائم واقعی آغاز انحراف یا لغزش راکتور از حالت طبیعی است که ترجیحا تمام عملیات کارگردانی را تحت کنترل درمی آورد و متعاقبا فعال شدن تمام سیستم های مهندسی ایمنی را برای کنترل حادثه، باعث می گردد. در تمام موارد، شناسایی و آشکارسازی مبتنی بر فرآیندهای متفاوتی است که هر نوع ابهامی را در رابطه با سیستم آشکارسازی حادثه و قصورهای رایج در سیستم ارزیابی داده ها رفع می کند. وسایل و ابزار اضافی تکمیلی چنان، اطمینانی را فراهم می آورند که با حفاظت به موقع راکتور اثرات سوء حادثه های احتمالی کاهش یابد. وسایل اضافی مبتنی بر انجام وظیفه های انحصاری، به طور فیزیکی از نظر محل قرارگیری طوری از یکدیگر جداشده اند که در مقابل حوادث بیرونی می توانند سالم باقی بمانند. تابلوی وضعیت سیستم حفاظت راکتور را در تمام زمان های کار عادی راکتور و شرایط اضطراری به طور بسیار روشن و واضح به پرسنل کارگردانی اعلام می نماید. تست های دوره ای با دستگاه های مخصوص تست کردن انجام می شوند. قصورهای آشکار و نهان در کانال های مربوطه توسط خویش گزارشگر اعلام می شوند.
نوع دیگر حفاظت با نام حفاظت رادیولوژیکی و کنترل پرتوگیری وجود دارد که وظیفه آن عبارتست از کاهش پرتوگیری و آلودگی داخل راکتورها و محیط زیست در کمترین حد ممکن. سیستم های مختلف کنترل پرتوگیری، اندازه گیری و ثبت پرتوها را در تمام مناطق کنترل شده انجام می دهد. سیستم های مختلف کنترل پرتوگیری امکان بررسی میزان دز تابش محلی، منطقه ای، محیط زیست، پرتوگیری پرسنلی و همچنین میزان نشت پسمان های مایع، گاز و جامد را فراهم می کند. سیستم های کنترل پرتوگیری، دستگاه های نصب شده دائمی هستند که بخشی از مجموعه سیستم I&C محسوب می شوند. مونیتورهای ثابت بررسی نمونه های محلی را بطور دائم و یا متناوب انجام می دهند و مونیتورهای متحرک شامل دستگاه های اندازه گیری پرتو در محل های متفاوت نصب هستند.
نیروگاههای هسته ای حدود 17 درصد برق را تأمین می کنند برخی کشورها برای تولید نیروی الکتریکی خود، وابستگی بیشتری به انرژی هسته ای دارند. براساس آمار آژانس انرژی اتمی، 75 درصد برق کشور فرانسه در نیروگاههای هسته ای تولید می شود و در ایالات متحده، نیروگاههای هسته ای 15 درصد برق را تأمین می کنند. بیش از چهارصد نیروگاه هسته ای در سراسر دنیا وجود دارد که بیش از یکصد عدد آنها در ایالات متحده واقع شده است. یک نیروگاه هسته ای بسیار شبیه به یک نیروگاه سوخت فسیلی تولید کننده انرژی الکتریکی است و تنها تفاوتی که دارد، منبع گرمایی تولید بخار است. این وظیفه در نیروگاه هسته ای برعهده رآکتور هسته ای است.

رآکتور هسته ای

همه رآکتورهای هسته ای تجاری از طریق شکافت هسته ای گرما تولید می کنند. همانطور که می دانید، شکافت اورانیوم نوترون های زیادی آزاد می کند، بیشتر از آنکه لازم باشد. اگر شرایط واکنش مساعد باشد فرآیند به طور خود به خودی انجام می شود و یک زنجیره از شکافت های هسته ای به وجود می آید. نوترونهایی که از فرآیند شکافت آزاد می شوند، بسیار سریعند و هسته های دیگر نمی توانند آنها را به راحتی جذب کنند. از این رو در اکثر رآکتورها قسمتی به نام کند کننده نوترون وجود دراد که در آن از سرعت نوترونها کاسته می شود و در نتیجه نوترونها به راحتی جذب می شوند. چنین نوترونهایی آن قدر کند می شوند تا با هسته راکتور به تعادل گرمایی برسند. نام گذاری این نوترونها به نوترونهای گرمایی یا نوترونهای کند هم از همین رو است.
مقدار انرژی گرمایی که در یک رآکتور پارامتر بحرانی است و با کنترل آن می توان رآکتور را در حالت عادی نگاه داشت. این کار با تنظیم تعداد میله های کنترل درون رآکتور صورت می گیرد. میله کنترل از مواد جذب کننده نوترون ساخته شده است و با افزایش یا کاهش جذب نوترون، می توان گسترش واکنش زنجیره ای را کاهش یا افزایش داد. البته با استفاده از کند کننده های نوترون یا تغییر دادن نحوه قرار گیری میله های سوخت هم می توان انرژی خروجی رآکتور را کنترل کرد.

طراحی یک رآکتور

رآکتورهای هسته ای برای انجام واکنش های هسته ای در مقیاس وسیع طراحی می شوند. گرما، اتمهای جدید و تابش بسیار شدید نوترون، محصولات واکنش انجام شده در رآکتور هستند و بسته به استفاده ای که از رآکتور می شود، از یکی از محصولات استفاده می شود. در یک نیروگاه هسته ای تولید برق از انرژی گرمایی تولید شده برای چرخاندن توربین و درنهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده می شود. در برخی رآکتورهای نظامی و آزمایشی بیشتر از باریکه نوترون پر انرژی استفاده می شود تا مواد ساده را به عناصر کم یاب و جدیدی تبدیل کنند.
هدف از رآکتور هر چه باشد، برای به دست آوردن این محصولات لازم است یک واکنش هسته ای زنجیره ای به طور پیوسته ادامه یابد. برای ادامه یک واکنش زنجیره ای هم رآکتور باید در حالت بحرانی یا فوق بحرانی قرار داشته باشد. کند کننده و وسیله کنترل در فراهم آوردن چنین شرایطی نقش بسیار مهمی برعهده دارند.
رآکتوری که از کند کننده استفاده می کند، رآکتور گرمایی یا رآکتور کند نامیده می شود. این رآکتورها با توجه به نوع کند کننده ای که مورد استفاده قرار می گیرد طبقه بندی می شوند. آب معمولی ( آب سبک )، آب سنگین و گرافیت، مواد رایج کند کننده هستند. البته گرافیت مشکلات فراوانی را به وجود می آورد و بسیار خطرآفرین است، مانند حادثه انفجار چرنوبیل یا آتش سوزی وانیدسکیل.
رآکتورهایی که از کند کننده ها استفاده نمی کنند، رآکتورهای سریع خوانده می شوند. در این نوع رآکتورها فشار ذرات نوترون بسیار بالا است و از این رو می توان برخی واکنش های هسته ای را در آنها انجام داد که ترتیب دادن آنها در رآکتور کند بسیار مشکل است. شرایط خاصی که در رآکتورهای سریع وجود دارد، سبب می شود بتوان هسته اتم توریوم و برخی ایزوتوپ های دیگر را به سوخت هسته ای قابل استفاد تبدیل کرد. چنین رآکتوری می تواند سوختی بیش از حد نیاز خود را تولید کند و به همین دلیل به آن رآکتور سوخت ساز هم گفته می شود.
در همه رآکتورها، قلب رآکتور که دمای بسیار زیادی دارد باید خنک شود. در یک نیروگاه هسته ای، سیستم خنک ساز به نوعی طراحی می شود که از گرمای آزاد شده به بهترین شکل ممکن استفاده شود. در اغلب این سیستمها از آب استفاده می شود. اما آب نوعی کند کننده هم محسوب می شود و از این رو نمی تواند در رآکتورهای سریع مورد استفاده قرار گیرد. در رآکتورهای سریع از سدیم مذاب یا نمک های سدیم استفاده می شود و دمای عملیاتی خنک ساز بالاتر است. در رآکتورهایی که برای تبدیل مورد طراحی شده اند، به راحتی گرمای آزاد شده را در محیط آزاد می کنند.
در یک نیروگاه هسته ای، رآکتور کند منبع آب را گرم می کند و آن را به بخار تبدیل می کند. بخار آب توربین بخار را به حرکت در می آورد ، توربین نیز ژنراتور را می چرخاند و به این ترتیب انرژی تولید می شود. این آب و بخار آن در تماس مستقیم با راکتور هسته ای است و از این رو در معرض تابش های شدید رادیواکتیو قرار می گیرند. برای پیشگیری از هر گونه خطر مرتبط با این آب رادیواکتیو، در برخی رآکتورها بخار تولید شده را به یک مبدل حرارتی ثانویه وارد می کنند و از آن به عنوان یک منبع گرمایی در چرخه دومی از آب و بخار استفاده می کنند. بدین ترتیب آب و بخار رادیواکتیو هیچ تماسی با توربین نخواهند داشت.

انواع رآکتورهای گرمایی

در در رآکتورهای گرمایی علاوه برکند کننده، سوخت هسته ای ( ایزوتوپ قابل شکافت القایی)، مخزن بخار و لوله های منتقل کننده آن، دیواره های حفاظتی و تجهیزات کنترل و مشاهده سیستم رآکتور نیز وجود دارند. البته بسته به این که این رآکتورها از کانالهای سوخت فشرده شده، مخزن بزرگ بخار یا خنک کننده گازی استفاده کنند، می توان آنها را به سردسته تقسیم کرد.
الف – کانالهای تحت فشار در رآکتورهای RBMK و CANDU استفاده می شوند و می توان آنها را در حال کارکردن رآکتور، سوخت رسانی کرد.
ب – مخزن بخار پرفشار داغ، رایج ترین نوع رآکتور است و در اغلب نیروگاههای هسته ای و رآکتورهای دریایی ( کشتی، ناوهواپیمابر یا زیردریایی ) از آن استفاده می شود. این مخزن می تواند به عنوان لایه حفاظتی نیز عمل کند.
ج – خنک سازی گازی: در این رآکتورها به جای آب، از یک سیال گازی شکل برای خنک کردن رآکتور استفاده می شود. این گاز در یک چرخه گرمایی با منبع حرارتی راکتور قرار می گیرد و معمولاً از هلیوم برای آن استفاده می شود، هر چند که نیتروژن و دی اکسید کربن نیز کاربرد دارند. در برخی رآکتورهای جدید، رآکتور به قدری گرما تولید می کند که گاز خنک کن می تواند مستقیما یک توربین گازی را بچرخاند، در حالی که در طراحی های قدیمی تر گاز خنک کن را به یک مبدل حرارتی می فرستادند تا در یک چرخه دیگر، آب را به بخار تبدیل کند و بخار داغ، یک توربین بخار را بگرداند.

بقیه اجزای نیروگاه هسته ای

غیر از رآکتور که منبع گرمایی است، تفاوت اندکی بین نیروگاه هسته ای و یک نیروگاه حرارتی تولید برق با سوخت فسیلی وجود دارد.
مخزن بخار تحت فشار معمولا درون یک ساختمان بتونی تعبیه می شود که این ساختمان به عنوان یک سد حفاظتی در برابر تابش رادیواکتیو عمل می کند. این ساختمان هم درون یک مخزن بزرگتر فولادی قرار می گیرد. هسته رآکتور و تجهیزات مرتبط با آن درون این مخزن فولادی قرار گرفته اند و کارکنان می توانند راکتور را تخلیه یا سوخت رسانی کنند. وظیفه این مخزن فولادی، جلوگیری از نشت هر گونه گاز یا مایع رادیواکتیو از درون سیال است.
در نهایت این مخزن فولادی هم به وسیله یک ساختمان بتونی خارجی محافظت می شود. این ساختمان به قدری محکم است که در برابر اصابت یک هواپیمای جت مسافربری ( مشابه حادثه یازده سپتامبر ) هم تخریب نمی شود. وجود این ساختمان حفاظتی دوم برای جلوگیری از انتشار مواد رادیواکتیو در اثر هرگونه نشت از حفاظ اول ضروری است. در حادثه انفجار چرنوبیل، فقط یک ساختمان حفاظتی وجود داشت و همان موجب شد موادراکتیو در سطح اروپا پخش شود.

رآکتورهای هسته ای طبیعی

در طبیعت هم می توان نشانه هایی از رآکتور هسته ای پیدا کرد، البته به شرطی که تمام عوامل مورد نیاز به طور طبیعی در کنار هم قرار گرفته باشند. تنها نمونه شناخته شده یک رآکتور هسته ای طبیعی دو میلیارد سال پیش در منطقه اوکلو در کشور گابون ( قاره آفریقا ) فعالیتش را آغاز کرده است. البته دیگر چنین رآکتورهایی روی زمین شکل نمی گیرند، زیرا واپاشی رادیواکتیو این مواد ( به خصوص U-235 ) در این زمان طولانی 5/4 میلیارد ساله ( سن زمین )، فراوانی U-235 را در منابع طبیعی این رآکتورها بسیار کاهش داده است، به طوری که مقدار آن به پایین تر از حد مورد نیاز آغاز یک واکنش زنجیره ای رسیده است.
این رآکتورهای طبیعی زمانی شکل گرفتند که معادن غنی از اورانیوم به تدریج از آب زیرزمینی یا سطحی پر شدند. این آب به صورت کند کننده عمل کرد و واکنش های زنجیره ای شدیدی به وقوع پیوست. با افزایش دما، آب کند کننده بخار می شد و رآکتور خاموش شد. پس از مدتی، این بخارها به مایع تبدیل می شدند و دوباره رآکتور به راه می افتاد. این سیستم خودکار و بسته، یک رآکتور را کنترل می کرد و برای صدها هزار سال، این رآکتور را فعال نگاه می داشت.
مطالعه و بررسی این رآکتورهای هسته ای طبیعی بسیار ارزشمند است، زیرا می تواند به تحلیل چگونگی حرکت مواد رادیواکتیو در پوسته زمین کمک کند. اگر زمین شناسان بتوانند را از این حرکت ها را شناسایی کنند، می توانند راه حل های جدیدی برای دفن زباله های هسته ای پیدا کنند تا روزی خدای ناکرده، این ضایعات خطرناک به منابع آب سطح زمین نشت نکنند و فاجعه ای بشری به بار نیاورند.

انواع رآکتورهای گرمایی

الف – کند سازی با آب سبک:a- رآکتور آب تحت فشار Pressurized Water Reactor(PWR)
b- رآکتور آب جوشان Boiling Water Reactor(BWR)
c- رآکتور D2G
ب- کند سازی با گرافیت:a- ماگنوس Magnox
b- رآکتور پیشرفته با خنک کنندی گازی Advanced Gas-Coaled Reactor (AGR)
c- RBMK
d- PBMR
ج – کند کنندگی با آب سنگین:a – SGHWR
b – CANDU
رآکتور آب تحت فشار، PWR
رآکتور PWR یکی از رایج ترین راکتورهای هسته ای است که از آب معمولی هم به عنوان کند ساز نوترونها و هم به عنوان خنک ساز استفاده می کند. در یک PWR، مدار خنک اولیه از آب تحت فشار استفاده می کند. آب تحت فشار، در دمایی بالاتر از آب معمولی به جوش می آید، از این دوچرخه خنک ساز اولیه را به گونه ای طراحی می کنند که آب با وجود آنکه دمایی بسیار بالا دارد، جوش نیاید و به بخار تبدیل نشود. این آب داغ و تحت فشار در یک مبدل حرارتی، گرما را به چرخه دوم منتقل میکند که یک نوع چرخه بخار است و از آب معمولی استفاده می کند. دراین چرخه آب جوش می آید و بخار داغ تشکیل می شود، بخار داغ یک توربین بخار را می چرخاند، توربین هم یک ژنراتور و در نهایت ژنراتور، انرژی الکتریکی تولید می کند.
PWR به دلیل دارابودن چرخه ثانویه با BWR تفاوت دارد. از گرمای تولیدی در PWR به عنوان سیستم گرم کننده درنواحی قطبی نیز استفاده شده است. این نوع رآکتور، رایج ترین نوع رآکتورهای هسته ای است و در حال حاضر، بیش از 230 عدد از آنها در نیروگاههای هسته ای تولید برق و صدها رآکتور دیگر برای تأمین انرژی تجهیزات دریایی مورد استفاده قرار می گیرند.
خنک کننده
همان طور که می دانید، برخورد نوترونها با سوخت هسته ای درون میله های سوخت، موجب شکافت هسته اتمها می شود و این فرآیند هم به نوبه خود، گرما و نوترونهای بیشتری آزاد می کند. اگر این حرارت آزاد شده منتقل نشود، ممکن است میله های سوخت ذوب شوند و ساختار کنترلی رآکتور از بین برود ( و البته خطرهای مرگ آوری که به دنبال آن روی می دهند. ) در PWR، میله های سوخت به صورت یک دسته در ساختاری، ترسیمی قرار گرفته اند و آب از کف رآکتور به بالا جریان پیدا می کند. آب از میان این میله های سوخت عبور می کند و به شدت گرم می شود، به طوری که به دمای 325 درجه سانتی گراد می رسد. درمبدل حرارتی، این آب داغ موجب داغ شدن آب در چرخه دوم می شود و بخاری با دمای 270 درجه سانتی گراد تولید می کند تا توربین را بچرخاند.

کند کننده

نوترونهای حاصل از یک شکافت هسته ای بیش از آن حدی گرمند که بتوانند یک واکنش شکافت هسته ای را آغاز کنند. انرژی آنها را باید کاهش داد تا با محیط اطراف خود به تعادل گرمایی برسند. محیط اطراف نوترونها ( قلب رآکتور ) دمایی در حدود 450 درجه سانتی گراد دارد.
در یک PWR، نوترونها در پی برخورد با مولکولهای آب خنک ساز، انرژی جنبشی خود را از دست می دهند؛ به طوری که پس از 8 تا 10 برخورد ( البته به طور متوسط ) با محیط هم دما می شوند. در این حالت، احتمال جذب نوترونها از سوی هسته U-235 بسیار زیاد است ودر صورت جذب، بالافاصله هسته U-236 جدید دچار شکافت می شود.
مکانیسم حساسی که هر رآکتور هسته ای را کنترل می کند، سرعت آزاد سازی نوترونها در طول یک فرآیند شکافت است به طور متوسط از هر شکافت، دونوترون و مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. نوترونهای آزاد شده اگر با هسته U-235 دیگری برخورد کنند، شکافت دیگری را سبب می شوند و در نهایت یک واکنش زنجیره ای روی می دهد. اگر تمام این نوترونها در یک لحظه آزاد شوند، تعدادشان به قدری زیاد می شود که باعث ذوب شدن راکتور خواهد شد. ( تعداد ذرات پر انرژی، دمای یک سیستم را تعیین می کند. معادله بوتنرمن، این ارتباط را توصیف می کند. ) خوشبختانه برخی از این نوترونها پس از یک بازه زمانی نه چندان کوتاه ( حدود یک دقیقه ) تولید می شوند و سبب می شوند دیگر عوامل کنترل کننده از این تاخیر زمانی استفاده کرده، اثر خود را داشته باشند.
یکی از مزیت های استفاه از آب در PWR، این است که اثر کند سازی آب با افزایش دما کاهش می یابد. در حالت عادی، آب در فشار 150 برابر فشار یک اتمسفر قرار دارد ( حدود 15 مگا پاسکال ) و در قلب رآکتور به دمای 325 درجه سانتی گراد می رسد. درست است که آب با فشار پانزده مگا پاکسال در این دما جوش نمی آید، ولی به شدت از خاصیت کند کنندگی اش کاسته می شود، بنابراین آهنگ واکنش شکافت هسته ای کاهش می یابد، حرارت کمتری تولید می شود و دما پایین می آید. دما که کاهش یابد، توان رآکتور افزایش می یابد و دما که افزایش یابد توان راکتور کاهش می یابد؛ پس خود سیستم PWR دارای یک سیستم خود تعادلی در رآکتور است و تضمین می کند توان رآکتور در کمترین میزان مورد نیاز برای تأمین گرمای سیستم بخار ثانویه است.
در اغلب رآکتورهای PWR، توان رآکتور را در دوره فعالیت معمولی با تغییرات غلظت بورون ( در شکل اسید بوریک ) در چرخه خنک کننده اولیه کنترل اولیه کنترل می کنند سرعت جریان خنک کننده اول در رآکتورهای PWR معمولی ثابت است. بورون یک جذب کننده قوی نوترون است و با افزایش یا کاهش غلظت آن، می توان شدت فعالیت راکتور را کاهش یا افزایش داد. برای این کار، یک سیستم کنترلی پیچیده شامل پمپ های فشار بالا که آب را در فشار 15 مگا پاسکال از چرخه خارج می کند، تجهیزات تغییر غلظت اسید بوریک و تزریق مجدد آب به چرخه خنک ساز مورد نیاز است.
یکی از اشکالات راکتورهای شکافت، این است که حتی پس از توقف واکنش شکافت، هنوز هم واپاشی های رادیواکتیوی انجام می شود و حرارت زیادی آزاد می شود که می تواند راکتور را ذوب کند. البته سیستم های حفاظتی و پشتیبانی متعددی برای جلوگیری از این واقعه وجود دارند، با این حال ممکن است در اثر پیچیدگی های این سیستم، برهمکنش های پیش بینی نشده یا خطاهای عملیاتی مرگ آفرینی در شرایط اضطراری روی دهند. در نهایت، هر رآکتور با یک حفاظ ساختمانی بتونی احاطه شده است که آخرین سد در برابر تشعشعات رادیواکتیو است.

رآکتور آب جوشان، BWR

در رآکتور آب جوشان، از آب سبک استفاده می شود. آب سبک، آبی است که در آن فقط هیدروژن معمولی وجود دارد. ) BWR اختلاف زیادی با رآکتور آب تحت فشار ندارد، غیر از اینکه در BWR فقط یک چرخه خنک کننده وجود دارد و آب مستقیما در قلب راکتور به جوش می آید. فشار آب در BWR کمتر از PWR است، به طوری که در بیشترین مقدار به 75 برابر فشار جو می رسد ( 5/7 مگا پاسکال ) و بدین ترتیب آب در دمای 285 درجه سانتی گراد به جوش می آید.
رآکتور BWR به شکلی طراحی شده که بین 12 تا 15 درصد آب درون قلب رآکتور به شکل بخار در قسمت بالای آن قرار می گیرد. بدین ترتیب عملکرد بخش بالایی و پایینی هسته رآکتور با هم تفاوت دارند. در بخش بالایی قلب رآکتور، کند سازی کمتری صورت می گیرد و در نتیجه بخش بالایی کمتر است.
در حالت کلی دو مکانیسم برای کنترل BWR وجود دارد: استفاده از میله های کنترل و تغییر جریان آب درون راکتور.
الف – بالا بردن یا پایین آوردن میله های کنترل، روش معمولی کنترل توان رآکتور در حالت راه اندازی رآکتور تا رسیدن به 70 درصد حداکثر توان است. میله های کنترل حاوی مواد جذب کننده نوترون هستند؛ در نتیجه پایین آوردن آنها موجب افزایش جذب نوترون در میله ها، کاهش جذب نوترون در سوخت و درنهایت کاهش آهنگ شکافت هسته ای و پایین آمدن توان رآکتور می شود. بالا بردن میله های سوخت دقیقاً نتیجه معکوس می دهد.
ب – تغییرات جریان آب درون رآکتور، زمانی برای کنترل رآکتور مورد استفاده قرار می گیرد که راکتور بین 70 تا صد درصد توان خود کار می کند. اگر جریان آب درون رآکتور افزایش یابد، حباب های بخار در حال جوش سریع تر از قلب راکتور خارج می شوند و آب درون قلب رآکتور بیشتر می شود. افزایش مقدار آب به معنی افزایش کندسازی نوترون و جذب بیشتر نوترونها از سوی سوخت است و این یعنی افزایش توان راکتور. با کاهش جریان آب درون رآکتور، حباب ها بیشتر در رآکتور باقی می مانند، سطح آب کاهش می یابد و به دنبال آن کندسازی نوترونها و جذب نوترون هم کاهش می یابد و در نهایت توان رآکتور کاهش می یابد.
بخار تولید شده در قلب رآکتور از شیرهای جدا کننده بخار و صفحات خشک کن ( برای جذب هر گونه قطرات آب داغ ) عبور می کند و مستقیماً به سمت توربین های بخار که بخشی از مدار رآکتور محسوب می شوند، می رود. آب اطراف رآکتور همواره در معرض تابش و آلودگی رادیواکتیو است و از آنجا که توربین هم در تماس مستقیم با این آب است، باید پوشش حفاظتی داشته باشد. اغلب آلودگی های درون آب عمر کوتاهی دارند ( مانند N16 که بخش اعظم آلودگی های آب را تشکیل می دهد و نیمه عمرش تنها 7 ثانیه است )، بنابراین مدت کوتاهی پس از خاموش شدن رآکتور می توان به قسمت توربین وارد شد.
در رآکتور BWR، افزایش نسبت بخار آب به آب مایع درون رآکتور موجب کاهش گرمای خروجی می شود. با این حال، یک افزایش ناگهانی در فشار بخار، سبب بروز یک کاهش ناگهانی در نسبت بخار به آب مایع درون رآکتور می شود که خود، سبب افزایش توان خروجی می شود. این شرایط و دیگر حالت های خطرساز، موجب شده است از سیستم کنترلی اسید بوریک ( بورون ) نیز استفاده شود، بدین شکل که در سیستم پشتیبان خاموش کننده اضطراری، محلول اسید بوریک با غلظت بالا به چرخه خنک کننده تزریق می شود. خوبی این سیستم این است که اسید اوریک، یک خورنده قوی است و معمولا در PWR سبب می شود تلفات ناشی از خوردگی قابل توجه باشد. در بدترین شرایط اضطراری که تمام سیستم های امنیتی از کار افتاد، هر رآکتور به وسیله یک ساختمان حفاظتی از محیط اطراف جدا شده است. در یک رآکتور BWR جدی، حدود 800 دسته واحد سوخت قرار می گیرد و در هر دسته بین 74 تا 100 میله سوخت قرار می گیرد. این چنین حدود 140 تن اورانیوم در قلب رآکتور ذخیره می شود.
رآکتور D2Gرآکتور هسته ای D2G را می توان در تمام ناوهای دریایی ایالات متحده می توان پیدا کرد. D2G مخفف عبارت زیراست:
رآکتور ناو جنگی D=Destroyer-sized reactor
نس دوم 2=Second Geneation
ساخت جنرال الکتریک G= General – Electric built
بدین ترتیب، D2G را می توان مخفف این عبارت دانست: رآکتور هسته ای نسل دوم ویژه ناوهای جنگی ساخت جنرال الکتریک. این رآکتور برای تولید حداکثر 150 مگا وات انرژی الکتریکی و عمر مفید 15 سال مصرف معمولی طراحی شده است.
در این رآکتور، برای مخزن بخار دو رآکتور وجود دارد و طوری طراحی شده که بتوان هر دو اتاق توربین را با یک رآکتور به راه انداخت. اگر هر دو رآکتور فعال باشند، ناو به سرعت 32 گره می رسد. اگر یک رآکتور فعال باشد و توربین ها متصل به هم باشند، سرعت ناو به 25 تا 27 گره خواهد رسید و اگر فقط یک رآکتور فعال باشد ولی توربین ها جدا باشند، سرعت فقط 15 گره خواهد بود

راکتورهای اتمی

تصویری از یک راکتور
اولین انرژی کنترل شده ناشی از شکافت هسته در دسامبر 1942 بدست آمد. با رهبری فرمی ساخت و راه اندازی یک پیل از آجرهای گرافیتی ، اورانیوم و سوخت اکسید اورانیوم با موفقیت به نتیجه رسید. این پیل هسته‌ای ، در زیر میدان فوتبال دانشگاه شیکاگو ساخته شد و اولین راکتور هسته‌ای فعال بود.

تعریف راکتور هسته ای:

راکتورهای هسته‌ای دستگاه‌هایی هستند که در آنها شکافت هسته‌ای کنترل شده رخ می‌دهد. راکتورها برای تولید انرژی الکتریکی و نیز تولید نوترون‌ها بکار می‌روند. اندازه و طرح راکتور بر حسب کار آن متغیر است. فرآیند شکافت که یک نوترون بوسیله یک هسته سنگین (با جرم زیاد) جذب شده و بدنبال آن به دو هسته کوچکتر همراه با آزاد سازی انرژی و چند نوترون دیگر شکافته می‌شود.
راکتورها در اصل سیستمهایی هستند که واکنش های هسته ای مثل شکافت هسته‌ای در آنها صورت می گیرد. و انرژی تولیدی در آنها تحت کنترل در می آید. به عنوان مثال خورشید یک راکتور هسته ای طبیعی است که در آن عناصر سبک هسته ای به هم جوش می خورند (همجوشی هسته ای) و تولید انرژی می کنند.
وسیله ای که در آن واکنش شکافت زنجیری کنترل شده انجام می شود راکتور هسته ای نام دارد. ‏‏اورانیوم یا پلتونیوم ( عنصر پرتوزای مصنوعی با عدد اتمی 94‏‎ ( Z=‎به عنوان ماده شکافت پذیر ‏‏«سوخت هسته ای ) به کار می رود. از راکتور ها جهت تولید انرژی ، برای به دست آوردن ‏‏ایزوتوپ های پرتوزا (از جمله عناصر فوق اورانیوم ، یعنی عناصری و 92‏‎ Z =‎) و چشمه های ‏باریکه های قوی نوترون استفاده می کنند‎.‎
‎پاره های شکافت در اورانیوم در فاصله کوتاهی (کمتر ازμm ‏ 5) ‎کند می شوند. در نتیجه ، تقریبا تمامی ‏انرژی آزاد شده در راکتور به صورت گرما در توده اورانیوم ظاهر می شود. از این گرما مثلا می توان ‏برای گرم کردن و تبخیر مایع جاری از اورانیوم که بعدا به کمک ‏‎‎توربین بخار یا بعضی از ماشین ‏های گرمایی دیگر به صورت انرژی الکتریکی یا مکانیکی درمی آید استفاده کرد‎.‎
‎اولین نیروگاه هسته ای بر این اساس در سال 1945 در روسیه ساخته شد. ساختمان این راکتور بیانگر ‏این است که بخش اصلی این راکتور عناصر سوختش است که شامل اورانیوم می باشد. عناصر "سوخت" به ‏صورت دو دیوار نازک از لوله های فولادی ضد زنگ ساخته شده اند که یکی‎ ‎ درون دیگری قرار دارد.
‎اورانیوم را بدون درز در فضای میان لوله محکم می کنند، در حالی که از کاواک داخلی به عنوان کانال ‏برای عبور آب استفاده می شود که گرمای آزاد شده از اورانیوم را در ضمن کار راکتور به خارج می برد. ‏محکم کردن بدون درز از این نظر لازم است که اورانیوم از لحاظ شیمیایی ناپایدار است و دیگر اینکه مانع ‏نشت گازهای پرتوزا خطرناکی شود که در نتیجه واکنش تشکیل می شوند‏‎.‎
‎برای تسهیل گسترش واکنش زنجیری ، عناصر "سوخت" را از اورانیومی که با ایزوتوب سریعا ‏شکافت پذیر اورانیوم 235 غنی شده اند، درست می کنند «اورانیوم غنی شده که در راکتور مصرف می کنند. ‏دارای 5 درصد‏‎ 235U‎در حالی که اورانیوم طبیعی فقط دارای 0.7 درصد از این ایزوتوپ است ). کار ‏راکتور اورانیوم با پرتوزایی شدید همراه است. جهت حفاظت کارکنان از تابش پرتوزا و نوترون ها که مقادیر ‏زیاد آن نیز زیانبار است، راکتور را در محفظه ای با دیوار های ضخیم که از سیمان و مواد دیگر ساخته ‏شده اند قرار می دهند‎.‎
‎امتیاز بزرگ راکتور هسته ای به عنوان چشمه تولید انرژی هزینه کم سوخت آن است. مقدار گرمایی که ‏در ضمن شکافت یک گرم‎ U 235 ‎آزاد می شود برابر با مقدار گرمایی است که از سوختن چند تن ذغال ‏سنگ به دست می آید. این امر امکان می دهد که راکتورها را در نواحی دور از‏‎ ‎ذخایر ذغال سنگ و نفت و حتی ‏دور از راه های حمل و نقل ( با کشتی، زیردریایی و هواپیما ) برپا سازند‎.‎
‎در روسیه ، چندین نیروگاه اتمی در مقیاس بزرگ در حال کارند. چندین یخ شکن مجهز به ‏موتور های اتمی و زیر دریایی های اتمی نیز ساخته شده است. در آینده نقش ‏‏مهندسی انرژی هسته ای مهم تر از این خواهد شد‎.‎
‎بر طبق محاسبات انجام شده، با آهنگ امروزی مصرف انرژی کمبود ذغال سنگ و نفت حتی در 50 سال آینده حس ‏خواهد شد. استفاده از اورانیوم راهی برای خروج از این مشکل است. زیرا انرژی ذخیره شده در ذخایر ‏اورانیوم 10 تا 20 برابر انرزی ذخیره شده در سوخت های آلی است. مسئله منابع انرژی پس ‏از مهار شدن واکنش های گداخت به کلی حل خواهد شد‎.‎
‎درنتیجه بمباران اورانیوم با نوترون ، ایزوتوپ‎ U 238 ‎به‎ U 239 ‎تبدیل می شود. این ایزوتوپ ‏ناپایدار است و در نتیجه واپاشی ««ذره بتا به ایزوتوپ نپتونیوم 93‏‎ ( Np 239 ) ‎تبدیل می شود. این ‏ایزوتوپ به نوبه خود ، با تحمل واپاشی بتا ، پس از زمان کوتاهی ( نیم عمر آن 2.35 روز است ) به ‏ایزوتوپ پلتونیوم 94 ، یعنی‏‎ Pu 239 ‎تبدیل می شود. پلتونیوم 239 نیز ناپایدار است ، ولی به کندی ‏وا می پاشد ( نیم عمر آن 24000 سال است). به این دلیل ممکن است به مقدار انبوهی انبار شود‎.‎
‎پلتونیوم 239 مانند اورانیوم 235 ، ( سوخت هسته ای )خوبی است که برای راکتورهای هسته ای و بمب ‏های اتمی مناسب است. پلوتونیوم از راکتورهای هسته ای مبتنی بر اورانیوم طبیعی و کند کننده به دست می ‏آید. در چنین راکتورهایی بیشتر نوترون ها را‎ 238U ‎جذب می کند که نتیجه آن تشکیل پلتونیوم است‎.‎
‎پلتونیوم انبار شده در اورانیوم را می توان با روش های شیمیایی جدا کرد. سوخت هسته ای مصنوعی ‏دیگر ایزوتوپ‎ 233U با نیم عمر 162000 است که در اورانیوم طبیعی وجود ندارد‏‎. 233U ‎نیز مانند ‏پلتونیوم ، در نتیجه بمباران توریم با نوترون تشکیل می شود. به این طریق مواد با شکافت پذیری کم‎) ‎ 238U و توریم ) می توانند به سوخت هسته ای با ارزش تبدیل شوند. این امکان پذیری بسیار اساسی ‏است زیرا در پوسته زمین‎ 238U ‎و توریم خیلی بیشتر از‎ 236U ‎است‎.‎
‎نپتونیم و پلتونیوم معرف عناصر فوق اورانیوم هستند و در جدول تناوبی بعد از اورانیوم می آیند‎.‎
رشته عناصر فوق اورانیوم بعد از پلتونیوم تا عنصری به عدد اتمی 107 ادامه دارد. عناصر فوق اورانیوم ‏در طبیعت کشف نشده اند. زیرا همه آنها پرتوزا بوده در مقایسه با سن زمین شناسی زمین نیم عمر کوتاهی ‏دارند‎.‎
‎‎‎در راکتور در حال کار ،جریان شدید نوترون ها در نتیجه شکافت مشاهده می شود. از بمباران مواد ‏با نوترون ها می توان ایزوتوب های پرتوزای مصنوعی گوناگون در راکتور به دست آورد. چشمه پرتوزای دیگر در راکتور پاره های شکافت اورانیوم هستند که اغلب شان ناپایدارند‎.‎
عناصر پرتوزای مصنوعی کاربرد گسترده ای در علم و صنعت پیدا کرده اند. از موادی که اشعه ‏گاما گسیل می کنند به جای رادیم خیلی گران ، برای امتحان اجسام فلزی کلفت با نور عبوری ، برای ‏‏مداوای سرطان و جز اینها استفاده می شود. ‏
از خاصیت کشنده بودن مقادیر زیاد تابش گاما در موجودات ذره بینی برای نگهداری مواد غذایی استفاده می ‏شود. اکنون از تابش پرتوزا در صنایع شیمیایی استفاده می شود. زیرا انجام بسیاری از واکنش های شیمیایی مهم را آسان می کند‎.‎

انواع سوختهای راکتور اتمی

اورانیوم متداول ترین ماده سوخت برای راکتورهای هسته‌ای اورانیوم است، که می‌تواند به صورت خالص ، یعنی اورانیوم فلزی و یا به صورت ترکیب مثل اکسید اورانیوم و یا کربور اورانیوم بکار برود. اورانیوم ، فلز نسبتا نرم و قابل کششی است که در دمای بالا به آسانی در هوا و آب اکسید می‌شود. نقطه ذوب آن 1133 درجه سانتیگراد است.
پلوتونیوم چون فلز پلوتونیوم تا رسیدن به نقطه ذوب 640 درجه سانتیگراد دارای تعداد زیادی فاز بلوری است، سوخت مناسبی برای راکتور نمی‌باشد. به عنوان سوخت راکتور ، پلوتونیوم را به صورت ، PUO2 بکار می‌برند. نقطه ذوب این ترکیب 2400 درجه سانتیگراد است.
توریوم به جز در چند راکتور با خنک کننده گازی دما - بالا ، توریوم تاکنون به عنوان سوخت راکتور کاربرد زیادی نداشته است. نقطه ذوب فلزات توریوم خالص حدود 1700 درجه سانتیگراد است. به علت پایداری بهتر ، این عنصر برتر از اورانیوم است. اما ما به صورت خالص به عنوان سوخت بکار نمی‌رود. بلکه ان را به صورت دی اکسید توریوم ThO2 کربوتریوم ThC2 بکار می‌برند.
کند کننده‌ها ویژگیهای لازم برای کند کننده‌های راکتورهای حرارتی ، یعنی عدد جرمی پایین ، سطح مقطع جذب نوترون خیلی پایین ، سطح مقطع پراکندگی بالا و گزینش را به چند ماده محدود می‌کنند. هیدروژن و دوتریوم ، کربن و برلیوم تنها عناصری هستند که برای کند کنندگی مناسب‌اند. هیدروژن و دوتریم ، به علت گاز بودن ، به اندازه کافی چگال نیستند و باید به صورت ترکیب بکار روند. بنابراین انتخاب کند کننده برای راکتورهای حرارتی به سه ماده زیر محدود می‌شود.
آب :آب یک انتخاب بدیهی برای کند کننده راکتورهای حرارتی است و می‌تواند به عنوان خنک کننده هم بکار رود. آب دارای سطح مقطع جذب نسبتا بالایی است. کند کننده آب برای بحرانی شدن نیاز به اورانیوم غنی شده دارند.
آب سنگین :بسیاری از خواص فیزیکی و ترمودینامیکی آب سنگین شبیه آب معمولی است. فرق اساسی آب سنگین با آب معمولی در این است که دوتریم سطح مقطع جذب خیلی کمتری نسبت به هیدروژن دارد.
گرافیت :ویژگیهای هسته‌ای این ماده ، مثل قدرت کند کنندگی و سطح مقطع جذب به خوبی ویژگیهای آب سنگین نیست. اما نوع خالص آن را می‌توان تهیه کرد. خواص ساختاری و گرمایی آن خوب است اما در دماهای بالا و هوا ترکیب می‌شود. گرافیت دارای رسانندگی گرمایی بالایی است.
خنک کننده ها ویژگیهای خنک کننده‌ها
خواص ترمودینامیکی خوب ، یعنی رسانندگی گرمایی ، گرمای ویژه بالا و چسبندگی پایین.
عدم برهمکنش شیمیایی با قسمتهای دیگر راکتور.
سطح مقطع جذب نوترونی خیلی پایین.
پرتوزا نشدن در اثر واکنش‌های گاما - نوترون که ممکن است هنگام عبور خنک کننده از قلب راکتور رخ بدهد.
مواد مناسب خنک کننده
هلیوم هلیوم گازی است بی اثر ، دارای خواص ترمودینامیکی خوب و خطر تابش هم ایجاد نمی‌کند. بنابراین ظاهرا می‌توان آن را به عنوان خنک کننده ایده آل راکتورهای گازی تلقی کرد. اما متاسفانه به سادگی مقدار زیاد آن قابل دسترسی نیست. در حال حاضر کاربرد این گاز به عنوان خنک کننده راکتور محدود به چند راکتور دما – بالای گازی در آمریکا و آلمان است.
فلزات مایع فلزات مایع ، به دلیل خواص ترمودینامیکی خوبشان ، به خصوص رسانندگی گرمایی بالای آنها ، خنک کننده‌های با لقوه خیلی خوبی برای راکتورها هستند. سدیم ، لیتیم ، جیوه و آلیاژهای سدیم – پتاسیم همه مناسب‌اند. ولی از میان آنها سدیم به مقدار قابل ملاحظه‌ای ، منحصرا در راکتورهای سریع زاینده مورد استفاده قرار گرفته است.
حفاظ‌های راکتور
راکتورهای هسته ای

ویژگی‌های مواد محافظ
سطح مقطع جذب نوترون خیلی پایین است.
رسانندگی گرمایی بالا دارند.
استحکام خوب در دماهای بالا برای مقاومت در مقابل تنش حرارتی
تغییر شکل سوخت و فشار ناشی از انباشت پاره‌های شکافت در داخل حفاظ
مواد کنترل موادی که برای راکتور مورد استفاده قرار می‌گیرند باید دارای سطح مقطع جذب بالایی باشند.
بور بور متداول ترین ماده کنترل است. از بور به تنهایی نمی‌توان استفاده کرد. اما می‌توان آن را با فولاد در آمیخت یا به صورت کربور محبوس در کپسول‌های فولادی مورد استفاده قرار داد.
ایندیم و کادمیوم ایندیوم و کادمیوم هر دو سطح مقطع جذب بالایی دارند. اما نقطه ذوب آنها پایین تر از آن است که بتوان از آنها در راکتورهای قدرت استفاده کرد.
هافنیم هافنیوم دارای استحکام مکانیکی کافی و مقاومت خوبی در برابر خوردگی است. لذا ماده کنترل خوبی است.
اگادولینیم گادولینیم در بعضی راکتورهای گازی پیشرفته به عنوان سم قابل سوختن بکار می‌رود.

کاربردهای راکتورهای هسته‌ای

راکتورها انواع مختلف دارند برخی از آنها در تحقیقات ، بعضی از آنها برای تولید رادیو ایزتوپهای پر انرژی برخی برای راندن کشتی‌ها و برخی برای تولید برق بکار می روند.
دوگروه اصلی راکتورهای هسته ای بر اساس تقسیم بندی کاربرد آنها . راکتورهای قدرت و راکتورهای تحقیقاتی هستند. راکتورهای قدرت مولد برق بوده و راکتورهای تحقیقاتی برای تحقیقات هسته‌ای پایه ، مطالعات کاربردی تجزیه‌ای و تولید ایزوتوپها مورد استفاده قرار می گیرند.
منبع:www.ngdir.ir