برخی کاربردهای نانوتکنولوژی

برخی کاربردهای نانوتکنولوژی
طبقه بندی کاربرد ها
1-نانوبیومواد مواد جدید همواره یکی از پیشران‌های توان‌زای کلیدی برای ساخت سیستم‌ها و کاربردهایی با اثرات چشمگیر بوده‌اند. این مواد می‌توانند موانع فرآیندهای قبلی را بشکنند و نهایتاً کاربردهایی با منافع بالقوه جهانی را تولید کنند. مواد در مقیاس نانو، یعنی موادی که ویژگی‌هایشان در سطح کمتر از میکرو (کوچکتر از 10 -6 m ) یا نانو ( 10 - 9 m ) قابل کنترل است. خواص مواد در چنین ابعد و اندازه‌هایی با مواد متعارف اساساً متفاوت است و به همین لحاظ تحقیقات در حوزة نانومواد روز به روز فعال‌تر می‌شود.
نانوبیوذرات ، ذرات کلوئیدی و جامدی هستند که شامل اجزاء ماکرومولکولی با اندازه 10-1000nmc با شیمی سطح پیچیده هستند. بسته به روش تولید، نانوذرات به شکل نانوکپسول‌ یا نانوکره هستند نانوکره‌ها سیستم‌های ماتریسی می‌باشند در حالی که نانوکپسول‌ها سیستم‌های وزیکولاراند.
نانوکپسول‌ها نانوذراتی هستند که دارای یک پوسته و فضای خالی داخل آن جهت قرارگرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفولیپیدها با یک سر آب‌دوست و یک سر آب‌گریز وقتی در یک محیط آبی قرار می‌گیرند، تشکیل کپسول‌هایی می‌دهند که سر آب‌دوست آن در بیرون و سر آب‌گریز مولکول در درون آن قرار می‌گیرند، از پلیمرهایی مثل لیپید و پروتئین نیز می‌توان برای ساخت نانوکپسول استفاده کرد.
درخت‌سان‌ها ( Denderimers ) ماکرومولکول‌هایی با ساختار منتظم و پرشاخه سه‌بعدی، که به خاطر دانسیته بالای گروه‌های فعال کاربردهای زیادی دارند. درخت‌سان‌ها به دلیل رقابت طراحی و ساخته‌شدن با دقت کاملاً اتمی بیشترین توانمندی را در مقایسه با نانوحفرات، نانوکپسول‌ها و نانوذرات از خود نشان می‌دهند.
کاکلیت‌ها ( Cochleates ) رسوبات دوظرفیتی فسفولیپیدی پایدار از مواد طبیعی هستند. این مواد ساختارهای چندلایه‌ای هستند که از ورقه‌های دولایه‌ای بزرگ و پیوسته چربی که به شکل مارپیچ درآمده‌اند، تشکیل شده‌اند. آنها محتویاتشان را از طریق لایه سیال خارجی به غشاء سلول‌های هدف انتقال می‌دهند. کاکلیت‌ها دربرابر عوامل محیطی مقاوم هستند و ساختار لایه‌ای محکم‌شان آنها را دربرابر تجزیه توسط مولکول‌های شکننده Cochleates محافظت می‌کند، حتی اگر در شرایط سخت محیطی یا دربرابر آنزیم قرار گیرند.
ویروس ظریف‌ترین نانوبیوذره موجود در طبیعت است و به خاطر تنوع‌اش یک موضوع محبوب برای تحقیقات است. براساس دانش موجود در مورد نانوساختاری و قابلیت ساخت آن،‌ استفاده از خودآرایی برای ساخت نانوترکیبات قابل استفاده در صنعت بسته به بخش‌های تشکیل‌دهنده ترکیب دارد. ویروس‌ها می‌توانند کلون شوند،‌ این ذرات فعال و قابل تشخیص هستند، همچنین می‌توانند تغییرات محیط‌شان را حس کنند. برای ساخت ویروس‌ها باید قادر به ساخت اسید نوکلئوئیک،‌ پروتئین و لیپیدهای قطبی باشیم.
ذرات ویروس‌مانند ( Virus Like Particles ) ( VLps )، بیان نوترکیب ساختمان اصلی پروتئین‌های بسیاری از ویروس‌ها، LP V را تولید می‌کند. چنین ذراتی مورفولوژی شبیه به کپسیدهای خالی از ویروس دارند که از آن منشاء گرفته‌اند، بنابراین ساختارشان شبیه به ویروس اصلی است در عین حال غیرفعالند.
پروتئین نانوذرات، اندازه پروتئین‌ها به طور طبیعی کمتر از مقیاس نانو است. با استفاده از روش‌های سنتز ذرات در نانوتکنولوژی می‌توان پروتئین‌هایی تولید کرد که در مقیاس نانو باشند. این ذرات نانوپروتئینی در سیستم‌های انتقال دارو (به عنوان حامل دارو)،‌ ژن‌درمانی، تولید کرم‌های ضدآفتاب و مواد آرایشی و همچنین در تولید علف‌کش‌های نانویی کاربرد دارند.
بطور خلاصه نانوبیوموادها به خاطر اندازه کوچکشان بسیار مورد توجه‌اند و کاربردهای بسیاری دارند از جمله:
• دارورسانی،‌ نانوبیومواد به خاطر اندازه کوچکشان می‌توانند به داخل سلول نفوذ کنند که باعث تجمع مؤثر دارو می‌شود و دوم اینکه استفاده از مواد زیست‌تخریب‌پذیر برای آماده‌سازی نانوبیوذرات باعث پایداری دارو تا رسیدن به هدف حتی بعد از چند روز یا چند هفته می‌شود.
• به‌کارگیری نانوبیومواد در پاکسازی محیط زیست.
• استفاده از نانوبیومواد در محصولات آرایشی و بهداشتی مانند کرم‌های ضدآفتاب و رنگدانه‌ها، برخی داروها
• انتقال ژن و ژن‌درمانی
• تولید واکسن
• استفاده در علف‌کش‌ها و سموم نباتی
• افزودن طعم و رنگ دلخواه به غذا
• آشکارسازی تهدیدهای بیولوژیکی مثل سیاه‌زخم، آبله و سل و محدوده وسیعی از بیماری‌های ژنتیکی
• افزودن میکرونوترینت‌های حساس به حرارت و pH مثل بتاکاروتن،‌ اسید چرب 1 مگا3
• درخت‌سان‌ها به دلیل دانسیته بالای گروه‌های فعال برای زمینه وسیعی از کاربردها مثل سنسورها کاتالیست‌ها یا موادی برای رهایش کنترل‌شده و انتقال به مکان‌های خاص مناسب‌اند.
• Cochleate ها می‌توانند برای کپسوله‌کردن و انتقال بسیاری از مواد فعال زیستی مثل ترکیباتی که به سختی در آب حل می‌شوند،‌داروهای پروتئینی و پپتیدی. مواد مغذی حساس به حرارت و pH و شرایط نامساعد محیطی استفاده شوند.
• حفظ سلامت غذا، نانوذرات با چسبندگی خاص قادرند به صورت برگشت‌ناپذیر به بعضی از انواع باکتری متصل شوند و مانع آلوده‌کردن میزبان توسط آنها شوند.
نکته‌ای که باید به آن توجه شود این است که برای اینکه سیستم‌های انتقال (دارو، غذا و ژن) مؤثر باشند،‌ ترکیبات فعال کپسوله‌کننده باید به مکان‌های مشخص برسند، غلظت‌شان باید در یک سطح مناسب برای مدت‌زمان طولانی ثابت باشد و از تجزیه نابهنگام آنها جلوگیری شود. نانوذرات توانایی بیشتری در کپسوله‌کردن و آزادسازی نسبت به سیستم‌های قدیمی‌تر دارند و به‌خصوص به خاطر اندازه کوچکشان می‌توانند مستقیماً به سیستم گردش خون وارد شوند.
2- نانولوله‌ها و نانوکامپوزیت‌ها: نانولوله‌های کربنی اولین نسل محصولات نانو هستند که در سال 1991 کشف و به جهان عرضه شدند. نانولوله‌ها از پیچیده‌شدن ورقه‌های گرانیت با ساختاری شبیه شانه عسل بدست می‌آیند. این لوله‌ها بسیار بلند و نازک هستند و ساختارهایی پایدار، مقاوم و انعطاف‌پذیر دارند.
نانولوله‌ها قوی‌ترین فیبرهای شناخته‌شده‌اند، 100-1 برابر قوی‌تر از واحد وزنی استیل هستند و می‌توانند جایگزین سرامیک‌های معمولی، آلومینوم و حتی فلزات در ساخت هواپیما، چرخ‌دنده‌ها،‌ یاتاقان‌ها، اجزاء ماشین، دستگاه‌های پزشکی، وسایل ورزشی و دستگاه‌های صنعتی تولید غذا شوند.
مطالعات اخیر پیشنهاد می‌کند که از نانولوله‌های کربنی برای اهداف بیولوژیکی مثل کریستالیزاسیون پروتئین‌ها و ساخت بیوراکتورها و بیوسنسورها استفاده شود. نانولوله‌های کربنی در محیط‌های آبی نامحلول‌اند. بنابراین برای کاربردهیا بیولوژیکی باید بر این مسأله غلبه کرد.
پیوند گروه‌های Functional به نانولوله‌های کربنی برای کاربردهای پزشکی بسیار مفیدند به عنوان مثال اتصال نانولوله‌ها به یک توالی خاص DNA می‌تواند باعث اتصال به یک پروتئین در سلول سرطانی شود و اتصال هم‌سلولی به یک بخش دیگر از همان نانولوله‌ می‌تواند یک «پیکان راهنما» برای حمله به سلول سرطانی و نابودکردن آن باشد. نانولوله‌های کربنی به خصوص نانولوله‌های چندلایه با ساختار کاملاً تعریف‌شده نانویی، می‌توانند برای ساختن بیوسنسورها استفاده شوند.
ساخت غشاه با استفاده از نانولوله‌ها پتانسیل استفاده در سیستم‌های غذایی را دارد. غشاهای بسیار باریک انشعاب‌پذیر نانولوله‌ای می‌توانند برای اهداف آنالیزی به عنوان بخشی از یک سنسور برای تشخیص مولکولی آنریم‌ها، آنتی‌بادی‌ها،‌پروتئین‌های مختلف و DNA باشند،‌ همچنین از این غشاءها برای جداسازی مولکول‌های زیستی مثل پروتئین‌ها می‌توان استفاده کرد.
در حال حاضر انتخاب‌پذیری و بازده غشاها در صنایع غذایی و دارویی مطلوب نیست، بیشتر به خاطر کنترل محدودشده ساختار آنها و میل ترکیبی شیمیایی‌شان با کاربردی‌کردن نانولوله‌ها با یک روش دلخواه، غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند مولکول‌ها را براساس اندازه، شکل و میل ترکیبی‌شان از هم جدا کند. به عنوان مثال غشاهایی که شامل نانولوله‌ای Monodisperse طلا با قطر داخلی کمتر از 1nm ، می‌شوند می‌توانند هم برای جداسازی مولکول‌ها و هم برای انتقال یون‌ها از محلولی که در یک سمت غشاء قرار گرفته به محلولی که در سمت دیگر غشاء است،‌ استفاده شوند.
با هیدروفوب‌کردن داخل نانولوله‌ها، غشاءهای نانولوله‌ای ترجیحاً مولکول‌های خنثی هیدروفوب‌ را استخراج کرده و عبور می‌دهند. در حال حاضر این تکنولوژی برای کاربردهای صنعتی (غذایی و دارویی) بسیار گران است اما می‌تواند در آینده برای جداسازی مولکول‌های زیستی ارزشمند (مثل پروتئین‌ها،‌ پپتیدها، ویتامین‌ها یا مواد معدنی) استفاده شوند. این مواد در زمینه تهیه غذاهای تقویتی یا مکمل‌های رژیمی یا داروها می‌توانند استفاده شوند.
یک زمینه دیگر کاربرد نانولوله‌های کربنی توسعه غشاءهای رسانای الکتریکی است. به خاطر نسبت بالای طول به قطر، نانولوله‌های کربنی می‌توانند پلیمرهای سنتزی را که نارسانای الکتریکی هستند، به پلیمرهای رسانا تبدیل کنند، اگر این پلیمرها برای توسعه غشاءهای جدید استفاده شوند میزان جداسازی طعم‌ها و مواد مغذی افزایش خواهد یافت.
نانولوله‌های پپتیدی: از ورقه‌های B پروتئین با تعداد مساوی آمینواسیدها L و D تشکیل شده‌اند. این ورقه‌ها با خودسامانی از طریق پیوندهای هیدروژنی، تشکیل نانولوله را می‌دهند. در این نانولوله‌ها تمام زنجیره‌های جانبی بر روی سطح خارجی قرار دارد.
خواص سطحی نانولوله و سوراخ داخلی با ترتیب آمینواسیدها تغییر می‌کن و طول آن بستگی به تعداد Residue ها دارد.
برخی از کاربردهای نانولوله‌های پپتیدی در اینجا آورده شده است:
• باوجود توسعه آنتی‌بیوتیک‌ها، همچنان مقاومت بشر در برابر باکتری‌ها کم است،‌ چون باکتری‌ها به راحتی می‌توانند نسبت به آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم گردند، نانولوله‌های پپتیدی می‌توانند یک نوع آنتی‌باکتری باشند. این نانولوله‌ها به خاطر اندازه کوچکشان به راحتی وارد دیواره سلولی باکتری شده و در آنجا با تشکیل پیوند با دیواره سلولی،‌ باز می‌شوند و این باعث ایجاد روزنه در دیواره سلولی باکتری و درنهایت مرگ آن می‌گردد.
• می‌توانند حامل‌های مناسبی برای انتقال دارو باشند.
• موادی مثل پروتئین‌ها و لیپید یا آنزیم با اتصال به دیواره خارجی آن،‌ از نانولوله پپتیدی یک بیوسنسور می‌سازند.
• نانولوله‌های پپتیدی را می‌توان به عنوان پایه‌ای برای ساخت بیوسرامیک‌ها مورد استفاده قرار داد. بیوسرامیک‌ها در ساخت استخوان یا دندان مصنوعی کاربرد بسیار دارند.
• نانولوله‌های پپتیدی می‌توانند پایه‌ای برای ته‌نشست مواد معدنی مثل کربنات کلسیم، اکسید آهن، دی‌اکسید سیلیکون و هیدروکسی آپتیات باشند.
کامپوزیت‌های ساخته‌شده در مقیاس نانو با مورفولوژی و خواص سطحی خاص یک گروه جدید از موا با خواص منحصر به فرد هستند. در ساخت اولین نانوکامپوزیت‌ها از زیست کانی‌سازی الگوبرداری کرده‌اند. زیست کانی‌سازی فرآیندی است که یک ماده الی (پروتئین، پپتید یا لیپید) با یک ماده غیرآلی (مثل کربنات کلسیم) واکنش می‌دهد و ماده با استقامت افزوده می‌سازند.
نانوکامپوزیت‌ها جایگزین خوبی برای بطری‌های پلاستیکی نوشیدنی‌ها هستند، استفاده از پلاستیک برای ساخت بطری باعث فساد و تغییر طعم نوشیدنی می‌شوند. نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند به عنوان مواد بسته‌بندی جدید استفاده شوند. یک مثال نانوکامپوزیت‌های تشکیل‌شده از نشاسته سیب‌زمینی و کلسیم کربنات است. این فوم مقاومت خوبی به حرارت دارد و سبک و زیست‌تخریب‌پذیر است و می‌توان برای بسته‌بندی مواد غذایی به کار رود.
نانوساختارها همچنین می‌توانند از مواد طبیعی، خاک‌های کریستالی طبیعی به خصوص Montomorillouite مواد آتشفشانی و دسکی شکل نازک در مقیاس نانو، منابع محبوبی برای تولید نانوخاک هستند.
این ماده به عنوان یک ماده افزودنی در تولید نانوکامپوزیت‌ استفاده می‌شود. افزودنی فقط 3-5% از این ماده پلاستیک را سبک‌تر، قوی‌تر و مقاوم‌تر به حرارت می‌کند و خواص ممانعت‌کنندگی بهتر دربرابر اکسیژن، دی‌اکسید کربن، رطوبت و مواد فرار دارد. این خواص برای بسته‌بندی مواد غذایی بسیار مفیدند و استفاده از آنها می‌تواند زمان نگهداری مواد غذایی مثل گوشت‌های فرآیندی، پنیر، آرد قنادی، غلات و غذاهای کنسروشده را افزایش دهد.
3- نانوفیلترها، نانوسنسورها و مواد هوشمند: فیلترها براساس اندازه منافذشان دسته‌بندی می‌شوند و بر این اساس به میکروفیلترها آلترافیلترها و نانوفیلترها دسته‌بندی می‌شوند. نانوفیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پایین‌تر از اسمز معکوس است، بنابراین قیمت تمام‌شده نانوفیلترها و انرژی مصرفی کمتر است.
نانوفیلترها علاوه بر بازیابی عناصری مثل نمک و کلسیم از آب، قادر به بازیابی ویروس‌ها و باکتری‌ها نیز می‌باشند بنابراین می‌توانند در رفع، آلودگی‌های آب‌های ذخیره نوشیدنی انسان‌ها و آب‌های کشاورزی استفاده شوند.
نانوفیلترها می‌توانند به فیلتراسیون سریع خون کمک فراوانی کنند. در حال حاضر مسمومیت خونی یکی از مشکلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحدهایی که نیاز به مراتب شدیدتری دارند بیشتر است، چون مریض‌ها آسیب‌پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید خون هرچه سریع‌تر از عامل مسمومیت پاک شود.
برای تشخیص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin باید از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسایی شود. با استفاده از نانوفیلترها می‌توان در یک مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا کرده و عامل مسمومیت را شناسایی کرد و علاوه بر این خون را تمیز کرد.
علاوه بر این نانوفیلترها می‌توانند در جداسازی‌های بیولوژیکی باکتری، ویروس، اسیدنوکلوئیک تصفیه DNA ، جذب پروتئین‌ها و اسیدنوکلوئیک‌ها، سوبسترا برای کشت Batch ، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذایی و استریلیزه کردن سرم‌های پزشکی و سیالات بیولوژیکی استفاده شوند.
نانوتکنولوژی با ساخت سنسورها در ابعاد کوچک ما را قادر خواهند ساخت که بتوانیم بسیاری از پارامترها را با دقت بیشتری ارزیابی کنیم. با استفاده از مولکول‌های بیولوژیکی قادر خواهیم بود که نانوسنسور بسازیم. نانوسنسورها کاربردهای بسیاری در سه حوزه مهم نانوبیوتکنولوژی (پزشکی، کشاورزی و صنایع غذایی) دارند که شامل:
• آشکارسازی عوامل و کمیت‌های شیمیایی و بیولوژیکی
• توالی‌سنجی DNA
• در تشخیص بیماری‌ها و تولید داروها
• در آزمایش‌های مؤثر و سریع بر روی داروهای جدید
• سیستم‌های کنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ سلامت محصولات کشاورزی و غذایی در انبارها و حمل و نقل و انتقال
• سیستم‌های مجتمع نانوسنسوری برای اندازه‌گیری، گزارش‌دهی و کنترل هوشمند گیاهان یا دام‌ها
• بیوسنسورهای دقیق‌تر برای شناسایی پروتئین‌ها
• آشکارسازی سریع عوامل بیماری‌زا
مواد هوشمند، مواد واکنشی ( Reactive Material ) که در ترکیب با حسگرها و تحریک‌کننده‌ها و شاید هم کامپیوترها به شرایط و تغییرات محیطی پاسخ مناسب می‌دهند، پلیمرهای هوشمند نمونه‌هایی از این دسته مواد هستند. از این پلیمرها می‌توان در ساخت مواد بسته‌بندی جدید برای محصولات غذایی استفاده کرد، این مواد می‌توانند به مصرف‌کننده هشدار بدهند که غذا یا محصولات کشاورزی فاسد شده است. لوازم آرایشی جز صنایع چندمیلیون دلاری است که از این سری مواد هوشمند سود خواهند برد.
4- ماشین‌های نانوتکنولوژی: بعضی از کارشناسان مفهوم ساخت و تولید مولکولی را که در آن اشیاء اتم به اتم (یا مولکول به مولکول) ساخته می‌شوند، را ابداع کرده‌اند. با استفاده از این روش و بلوک‌های سازنده می‌توان ماشین مولکولی را تولید کرد. ماشین‌های مولکولی که از آنها با عنوان نانوروبات یاد می‌شود می‌توانند کاربردهای زیادی داشته باشند.
نانوروبات‌ها قادرند اطلاعات بسیاری را برای ما فراهم کنند به عنوان مثال در علوم پزشکی با استفاده از نانوروبات‌ها، قادر به انجام جراحی‌هایی خواهیم بود که اکنون بدون اثرات نامطلوب مانند بیهوشی طولانی و اثرات جراحی بر روی بدن بیمار امکان‌پذیر نیستند. این نانوروبات‌ها همچنین قادر خواهند بود که جریان‌های نامطلوب را از رگ‌های بدن پاک کنند و به این ترتیب از سکته‌های قلبی که بر اثر بسته‌شدن رگ‌ها ایجاد می‌شوند، جلوگیری می‌شود. نانوربات‌ها می‌توانند بدون ایجاد عوارض جانبی در بدن حضور داشته باشند و با مونیتورسازی دائم وضعیت سلامت انسان علاوه بر درمان بیماری‌ها به پیشگیری نیز کمک کنند.
نانوربات‌ها می‌توانند برای ثبت برخی پارامترهای مهم فیزیکی یا بیولوژیکی برای محافظت مواد غذایی یا محصولات کشاورزی نیز استفاده شوند.
همچنین با استفاده از نانوربات‌ها می‌توان سلامت محصول یا دام را به طور مرتب بررسی کرد.
• مسیرهای بیوتکنولوژیکی نانوتکنولوژی (نانوبیوتکنولوژی) زمینه‌های تحقیقاتی وسیعی را هموار می‌سازد و می‌توانند به لحاظ هزینه کمتر تحقیقات انتخاب مناسبی برای سرمایه‌گذاری کشورهای در حال توسعه باشد.
در حال حاضر فرصت‌های تجاری صنعتی و تولیدی کوتاه‌مدت مورد علاقه سرمایه‌گذاران می‌تواند مربوط به تولید نانوبیوذرات باشد، چون علاوه بر کاربردهای وسیعی که به بخش‌هایی از آن در این گزارش اشاره شد، تکنولوژی تولید ساده‌تری دارند، همچنین ارزان‌ترند و در حال حاضر در بسیاری از کشورها به مرحله تولید انبوه رسیده‌اند.
فرصت‌های میان‌مدت می‌تواند شامل تولید نانوبیوسنسورها، نانوفیلترها و نانومواد هوشمند باشد اما فرصت‌های تجاری بلندمدت یا سرمایه‌گذاری‌های طولانی‌مدت را باید به نانوماشین‌ها و نانوربات‌ها اختصاص داد.
البته در کنار سرمایه‌گذاری در بخش صنعت باید به سرمایه‌گذاری در زمینه تحقیقات نیز توجه کرد چون اولویت‌هایی که توسط بخش R&D معین می‌گردد می‌تواند راهگشای بخش صنعت باشد.
بنابراین در سرمایه‌گذاری‌های بلندمدت و میان‌مدت حتماً باید بر روی تحقیقات نانوبیوتکنولوژی نیز تأکید شود. با گسترش آزمایشگاه‌های اختصاصی نانوتکنولوژی و مراکز تحقیقاتی درنهایت می‌توان به راهکارهای مناسب توسعه این فناوری نوین دست یافت.
کاربرد نانو تکنولوژی در فناوری مادون ریز
در دو دهه اخیر، پیشرفتهای تکنولوﮋی وسایل و مواد با ابعاد بسیار کوچک به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده که تمدن بشر را تا پایان قرن دگرگون خواهد کرد، ﭘیش می رود. برای احساس اندازه های مادون ریز، قطر موی سر انسان را که یک دهم میلیمتر است در نظر بگیرید، یک نانومتر صدهزار برابر کوچکتراست 9-10 متر. تکنولوﮋی و مهندسی در قرن پیش رو با وسایل، اندازه گیریها و تولیداتی سروکار خواهد داشت که چنین ابعاد مادون ریزی دارند. درحال حاضر ﭘروسه های در ابعاد چند مولکول قابل طراحی و کنترل است. همچنین خواص مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، نوری و ... مواد در لایه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درک و تحلیل و سنجش است. تکنولوﮋی درقرن گذشته در هرچه ریزتر کردن دانه های بزرگتر ﭘیشرفت چشمگیری داشت، بطوریکه به مزاح گفته شد که دیگر کشف ذرات ریز اتمی ((Sub-Atomic)) نه تنها جایزه نوبل ندارد، بلکه به آن جریمه هم تعلق می گیرد! تکنولوﮋی نو در قرن حاضر مسیر عکس را طی می کند. یعنی مواد مادون ریز را باید ترکیب کرد تا دانه های بزرگتر کارآمد به وجود آورد.
درست همان روشی که در طبیعت برای تولید کردن حاکم است. مجموعه های طبیعی، ترکیبی از دانه های مادون ریز قابل تشخیص با خواص مشابه و یا متفاوت با اندازه های در حدود نانو است.
اثر تحقیقات در فناوریهای مادون ریز هم اکنون در درمان بیماریها و یا دست یافتن به مواد جدید به ظهور رسیده است. موارد بسیاری در مرحله تحقیقات کاربردی و آزمایشی است. اکنون ساخت رایانه های بسیار کوچکتر و میلیونها بار سریعتر در دستور کار شرکتهای تحقیقاتی قرار دارد.
در بیانی کوتاه نانوتکنولوﮋی یک فرایند تولید مولکولی است. همانطور که طبیعت مجموعه ها را بطور خودکار مولکول به مولکول ساخته و روی هم مونتاﮋ کرده است، ما هم باید برای تولید محصولات جدید، با این اعتقاد که هرچه در طبیعت تولید شده قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست، نظیر طبیعت راهی پیدا کنیم. البته منظور این نیست که چند هسته از مواد را پیدا کنیم و با رساندن انرﮋی و خوراک ﭘس از چند سال یک نیروگاه از آن بسازیم که شهری را برق دهد. بلکه برای ترکیب و تکامل خودکار تولیدات مادون ریز که به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد، راهی بیابیم. در اندازه های مادون ریز، روشها و ابزارآلات متعارف فیزیکی مانند تراشیدن و خم کردن و سوراخ کردن و ... جوابگو نیستند.
برای ساختن ماشینهای ملکولی باید روش پروسه های طبیعی را دنبال کرد. با تهیه نقشه های ساختاری بدن یعنی آرایش ﮋنها و DNA که ﮋنم نامیده شده است و به موازات آن دست یافتن به تکنولوﮋی مادون ریز ، در دراز مدت تحولات بسیاری در هستی ایجاد خواهد شد. تولید مواد جدید، گیاهان، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد. اشکالات ساختاری موجودات در طبیعت رفع می شود و با ترکیب و خواص اورگانیک گیاهان و جانوران، موجودات جدیدی با خواص فوق العاده و شخصیتهای متفاوت بوجود خواهد آمد . آینده علوم و مهندسی که چندین گرایشی(Multi- Disciplinary) است، به طرف تولید ماشینهای مولکولی سوق داده خواهد شد تا در نهایت بتواند مجموعه های کارآیی از ﭘیوندهای ارگانیک و سایبریک را عرضه نماید .
هستی را به رایانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) که دو پدیده مختلف ولی ادغام شده هستند ، می توان تشبیه کرد. سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هیدروﮋن ) و نرم افزار یا برنامه، قابلیت نهفته در خلقت آن است. اتم به نظر ساده و ابتدایی هیدروﮋن در طی میلیاردها سال با قابلیت نهفته در خود توانسته است میلیونها نوع آرایش مختلف را در هستی بوجود آورد. بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است. ولی در برنامه ریزیهای جدید و یافتن اشکال دیگری از آنچه در طبیعت وجود دارد، پیش خواهد رفت. طبیعت را خواهد شناخت و به اصطلاح، قفلهای شگفت آور آن را باز خواهد کرد. احتمالا انسان در شرایط مناسبتری از درجه حرارت و فشار که درتشکیل طبیعی مواد مختلف از هیدروﮋن لازم است، بتواند اتمهای مورد نباز خود را تولید کند، سیارات دیگری را در نهایت در اختیار بگیرد و بعید نیست که نواده های دوردست ما بتوانند در نیمه های راه ابدیت در اکثر نقاط جهان هستی و کهکشانها سکنی گزینند.
به احتمال زیاد قبل از پایان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و دیجیتالی راخواهند داشت ... از بیماری، پیری، درد ستون فقرات، کم حافظه ای و ... رنج نخواهند برد. قابلیت فهم و تحلیل اطلاعات در مغز آنها در مقایسه با امروز بی نهایت خواهد شد. در هزاره های آینده انسانهای طبیعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمایشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبدیل خواهند شد و مردمان آینده از این همه درد و ناراحتی که اجداد آنها در هزاره های قبل کشیده اند، متعجب و متاثر خواهند بود.
اکنون جا دارد همگام با تحولات جدید در مهندسی و علوم، دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی بطور جدی به پژوهشهای تکنولوﮋی مادون ریز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانیم مرزهای دانش روز را به نسلهای آینده تحویل دهیم و در تشکلهای جدید هستی سهمی داشته باشیم. باشد هرچه زودتر به خود آییم و عمق شکوهمند و معجزه آسای اندیشه بشررا دریابیم و از کوتاه بینی و افکار فرسوده موروثی فاصله بگیریم.
کاربرد نانوساختارهای کربنی در ساخت ادوات گسیل الکترونی
در این مقاله گذری به پیشرفت‌های حاصل‌شده در آزمایشگاه لایه نازک دانشگاه تهران، که منجر به تولید نانولوله‌های کربنی و نانوساختارهای کربنی گردیده است شده است. با استفاده از قابلیت‌های زیادی که در این نانوساختارها موجود می‌باشد، امکان استفاده از آنها در لیتوگرافی در مقیاس نانومتری و در جهت ساخت ترانزیستورهای MOSFET زیر 100 نانومتر مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه این روند تحقیقاتی امکان بهبود این نانوساختارها در تحقق کریستال‌های فوتونی و نمایشگرهای با دقت بالا بررسی خواهند شد.
نانوساختارهای کربنی از رشد قابل ملاحظه‌ای در سال‌های اخیر برخوردار بوده‌اند. همگام با سایر کشورها در ایران نیز تحقیقات در زمینه نانوساختارهای کربنی از رشد فزاینده‌ای برخوردار می‌باشد. در آزمایشگاه تحقیقاتی لایه نازک دانشگاه تهران در زمینه ساخت نانولوله‌های کربنی و کاربرد آنها در ساخت ادوات گسیل الکترونی، پژوهش مستمری در چند سال گذشته انجام شده است که قسمتی از آن به صورت مقاله زیر ارائه می‌شود.
آزمایش‌ برروی نانولوله‌های کربنی با استفاده از رشد آنها بر روی بسترهای سیلیکونی و با تکنیک بخار شیمیایی انجام می‌گیرد. در این روش که به صورت شماتیک در شکل (1) به نمایش گذارده شده است گازهای حاوی کربن (خصوصا استیلن) مورد استفاده قرار می‌گیرند که در رآکتوری از جنس کوارتز و در حضور پلاسمای سرد، به صورت رادیکال‌های مناسب در آمده و برروی هسته‌بندی مناسبی از عنصر کاتالیستی مانند نیکل و یا کبالت لایه‌نشانی می‌گرند. در صورتی که شرایط محیطی مانند دما و فشار گاز و نیز میزان کاتالیست و دانه‌بندی اولیه آن مناسب باشند، رشد نانوساختارها به صورت عمودی و با خلوص و پراکندگی مناسب انجام می‌گیرد. علاوه بر گاز استیلن که عامل لایه‌نشانی کربن می‌باشد گاز هیدروژن نیز از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد و در تعیین هسته‌بندی اولیه لایه کاتالیزور و نیز اصلاح رشد نانولوله‌ها نقش تعیین‌کننده‌ای را بازی می‌کند.
در شکل‌های (2) و (3) تصاویری با میکروسکوپ الکترونی مربوط به برخی نمونه‌ها ارائه شده است که نمایش‌دهنده اثر شرایط رشد برروی کیفیت نانوساختارها می‌باشد.

شکل (2) نمایشی از رشد بدون حضور پلاسمای سرد (شکل راست) و رشد متراکم نانولوله‌های کربنی در حضور پلاسمای سرد (سمت چپ). بدون پلاسما یک رشد کاملاً نامنظم حاصل می‌شود.
شکل (2) نشان‌دهنده رشد بدون نظم مشخص می‌باشد که بدون حضور پلاسما و صرفاً در شرایط گرمایشی حاصل شده است. لازم به ذکر است که دمای رشد نانوساختارهای کربنی با استفاده از پلاسمای سرد بین 550 و 650 درجه سانتیگراد می‌باشد که معمولا بدون حضور پلاسما منجر به رشد کاملاً نامنظم می‌گردد.

شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی از هسته‌های نیکلی به صورت عمودی. در شکل سمت راست رشد متراکمی از نانوساختارهای کربنی به صورت عمودی مشاهده می‌گردد. دانه‌بندی اولیه عنصر کاتالیزور (نیکل) اهمیت بالایی در این رشد همگون دارد.
در شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی به صورت تقریباً عمودی و حجیم دیده می‌شود که در حضور پلاسما و با چگال توانی در حدود mW/cm2 10 حاصل شده است. در بسیاری از موارد نیاز به چنین رشد متراکمی داریم که از موارد مهم آن نمایشگرهای گسیل الکترونی از نوک‌های تیز نانولوله‌های کربنی می‌باشد. این‌گونه ساختارها با توجه به شکل بسیار تیز خود امکان خروج الکترون با اعمال ولتاژهای پایین را مهیا می‌سازند. گسیل الکترونی از نوک لوله‌ها در اثر اعمال ولتاژ به آنها کاربردهای متعدد دیگری از جمله در ساخت اشعه‌های الکترونی متمرکز[ 1و2 ]و فرآیند لیتوگرافی دارد.
نانوساختارهای گسیل الکترون
پس از رشددادن نانولوله‌ها، با استفاده از روش انباشت بخار شیمیایی (CVD)، اکسید تیتانیوم را به صورت بخار شیمیایی و در فشار اتمسفری بر روی آنها لایه‌نشانی می‌کنیم. این مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد. این مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد. چرا که به نانوساختارهای نیمه‌توخالی و به صورت لوله‌ای امکان تحقق می‌دهد. سپس با استفاده از روش لایه‌نشانی با تبخیر به کمک باریکة الکترونی، لایه‌ای به ضخامت 1 میکرومتر از فلز کروم روی آن می‌نشانیم. این لایه نشانی برای ایجاد گیت‌های کنترل‌کننده برای ترانزیستورها و نیز بعنوان لنزهای الکتروستاتیکی در حالت لیتوگرافی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
برای آشکار شدن نوک نانولوله‌ها، از روش زدایش مکانیکی_شیمیایی استفاده می‌کنیم. در مرحلة بعدی با استفاده از تکنیک plasma-ashing نوک نانولوله‌ها را باز می‌کنیم. استفاده از گاز حاوی اکسیژن در این مرحله نقش اساسی دارد، چرا که بدون صدمه‌زدن به ساختارهای محافظت‌کننده، فقط نانوساختارهای کربنی را بسوزاند تا به‌تدریج از ارتفاع نانولوله‌ها کاسته شده، به شکل مناسب دست یابیم.
شکل 4 نحوة عملکرد و شمای این ساختار را نشان می‌دهد. بدین ترتیب نانولوله‌ها برای گسیل الکترونی آماده می‌شوند. با اعمال ولتاژ مناسب بین نانوساختارهای کربنی از یک طرف و صفحه مقابل که نقش‌ آند را بازی می‌کند از طرف دیگر، جریان الکترون‌ها آشکار شده و میزان این جریان به وسیله ولتاژ بر روی گیت کاهش می‌یابد. قسمت دیگر شکل 4، تصویر میکروسکوپ الکترونی از ساختار کامل شده نانولوله‌ها را نشان می‌دهد. با توجه به انجام مرحله پولیش مکانیکی – پلاسمایی، برخی از نانولوله‌ها که از شرایط مناسبی از نظر ارتفاع و قطر برخوردار نیستند عملا در ارسال جریان الکتریکی نقشی ندارند.

شکل (4) نمای شماتیک یک نانوساختار کربنی و استفاده آن در ساخت ساتع کننده الکترونی. توضیح بیشتر در متن آورده شده است. در تصویر مقابل نمایشی از تصویر میکروسکوپ الکترونی مربوط به مجموعه‌ای از این ساتع کننده‌های الکترونی مشاهده می گردد.
صفحه آند که معمولاً از جنس ویفر سیلیکونی می‌باشد در فاصله مناسب از بستر تولیدکننده الکترون قرار می‌گیرد. در شکل‌های زیر رفتار الکتریکی مجموعه‌ای از نانوساختارهای کربنی به نمایش گذارده شده است که حاکی از عملکرد مناسب این مجموعه می‌باشد.
ساختارهای نانومتری که در این مقطع محقق شده‌اند قابلیت انجام لیتوگرافی در ابعاد نانومتری را نیز دارند. در شکل‌های زیر برخی از نتایج این تحقیق آورده شده است که حاکی از موفقیت این تکنیک در شکل‌دهی با ابعاد بسیار کوچک می‌باشد. برای این منظور بستر حاوی نانولوله‌ها را در فاصله‌ 100 میکرومتری از لایه حساسی که روی بستر سیلیکون نشانده شده است، قرار می‌دهیم. سپس بعد از اعمال ولتاژی حدود 100-80 ولت بین صفحه بالایی و پشت بستر نانولوله‌ها، آنها را نسبت به هم به حرکت در می‌آوریم. اتصال دیگری بر روی فلز

شکل (5) نمایش رفتار الکترونیکی نانوساختارهای کربنی با پوشش دولایه از جنس اکسید تیتانیوم و فلز. شکل چپ نشان‌دهنده جریان آشکار شده در طرف آند با توجه به ولتاژهای آند-کاتد. شکل راست نشان‌دهنده جریان آشکار شده در آند و کنترل آن توسط گیت ترانزیستور می‌باشد.

شکل (6) :تاثیر پرتو الکترونی گسیل شده روی ماده‌ی حساس پلیمری به همراه حرکت خطی که توسط سیستم مکانیکی ایجاد شده است.
کاربرد‌های ابتکاری تا بازاریابی میـکرو و نـانـوسـیـسـتـم‌هـا
امروزه هر فردی که در زمینه علوم خرد (در مقیاس کوچک) فعالیت می‌کند می‌داند که دو شیوه برای طراحی میکرو و نانوسیستم‌ها وجود دارد: یکی از بالا به پایین و دیگری از پایین به بالا. هر دو روش در آغاز برای میکروالکترونیک‌ ایجاد شدند، ولی طی دوسال اخیر عبارت فناوری نانوی زیستی متداول و رایج شده است.
هر دو شیوة طراحی اشیا برای فناوری‌های‌ نانوی زیستی هدف یکسانی دارند که عبارتست از: نزدیک شدن به مقیاس عملی کوچک‌تر یعنی مقیاس نانو در علوم حیاتی . با استفاده از این دو مدل که تمام مقیاس‌های بین اندازه 1 نانومتر و 1 میکرومتر می‌توانند توسط آنها پیمایش و بررسی گردد، جامعة علمی قادر می‌شود تا بر روی رشد و توسعة فناوری‌های مبتنی بر این مقیاس‌ها تمرکز کند.
به واسطة روش‌های بالا به پایین و پایین به بالا، ابزارهای متفاوتی برای استفاده در بازارهای علوم حیاتی ایجاد شده‌اند. (شکل 1)
با ابزارهای عمده‌ای که با روش بالا به پایین ساخته می‌شود مانند میکروتراشه‌های DNA و آزمایشگاه‌های روی تراشه، دسترسی به دقتی در حدود ده‌ها نانومتر امکان‌پذیر شده است. به وسیلة ابزارهای عمده‌ای که با روش پایین به بالا ساخته شده‌اند مانند نانوبلورها، نانوکره‌ها و نانوساختارها می‌توان از یک نانومتر شروع کرده و به مقیاس میکرومتر رسید. در نتیجه این دو روش بازارهای متفاوتی دارند.
بازار میکروتراشه DNA
میکرو تراشه‌های DNA با پروپ‌های DNA پوشانده می‌شوند و برای آشکار ساختن سطح هیبریداسیون DNA های استخراج شده، به کار می‌روند. امروزه معمولاً رایج است که آشکارسازی با استفاده از نشان‌گذاری زیستی فلورسنت انجام شود. میکروتراشه DNA نمی‌تواند به تنهایی به کار گرفته شود، لذا بایستی به یک پایه شامل اتاق هیبریداسیون، یک پیمایشگر و نرم افزار خاص متصل گردد تا پروفایل‌های حالت ژنی را تجزیه و تحلیل کند.
استفاده از میکروتراشه‌های DNA امروزه عمدتاً حول دو کاربرد عمده و با ارزش افزوده بالا، یعنی کشف دارو و مواد شیمیایی گیاهی تمرکز یافته است. فایدة اصلی میکروتراشه‌های DNA در این زمینه‌ها عبارتست از کشف ژن‌ها یا پروتئین‌های جدیدی که اهداف بالقوه برای ترکیبات فعال می‌باشند. در طی 15 سال گذشته این بازار به تدریج به بالندگی رسیده است و امروزه بازیگران شــناختـه شـده‌ای در آن حـضور دارنـد که عمـدتـاً تهیه‌کنندگان تجهیزات هستند ولی در بین آنها تعدادی شرکت‌های انفورماتیک زیستی و فناوری زیستی به‌چشم می‌خورد.
بـرای مـثــال شـرکت آفی متریکس(Affymetrix) بر روی توسعه و بازاریابی میکروتراشه‌ها و تجهیزات مخصوص ژنتیک تمرکز یافته است. این شرکت 60 درصد کل بازار تراشة DNA را تحت کنترل دارد که در حدود 750 میلیون دلار آمریکا در سال 2002 تخمین زده شده است.
بازار میکروتراشة DNA پس از سال 1999 با رشد فزاینده 30 تا 50 درصدی مواجه بوده و این روند تاکنون نیز حفظ شده است. البته تولیدکنندگان تجهیزات بایستی به فعالیت‌های خود تنوع ببخشند تا میزان عرضه و سهم بازار خود را توسعه دهند. این فقط زمانی امکان‌پذیر خواهد شد که شرکت‌ها بتوانند به بازارهایی با ارزش افزوده بیشتر مانند صنایع تشخیص طبی، کنترل غذایی یا توسعة بالینی دست پیدا کنند. فناوری امروزی در عین تمرکز بسیار بر روی حالت ژنی، خیلی گران قیمت نیز هست. نوآوری در دستیابی به این بازارهای جدید مستلزم بهبود و بهسازی تراشه‌های DNA رایج در بازار، بهینه‌سازی سیستم‌های فعلی و طراحی ابزار جدید است که همگی نقش مهمی را ایفا می‌کنند. خوشبختانه بیشتر نوآوری مورد نیاز، توسط شرکت‌های فناوری‌نانوی ‌زیستی و نیز تحقیقات دانشگاهی فراهم می‌گردد. هر دوی آنها قالب‌های جدیدی را به وجود می‌آورند که شامل انواع تراشه‌ها و زمینه‌های استفاده از آنها می‌باشند. هم‌چنین هر دو بر روی فناوری‌های آزمایشگاه‌های روی تراشه متمرکز شده‌اند.

بازار آزمایشگاه روی تراشه
آزمایشگاه روی تراشه نوعی فناوری است که برای طراحی ابزارهای خاص استفاده نمی‌شود، بلکه موضوعی مبتنی بر تجزیه و تحلیل‌های چند پارامتری و تراشه‌ای می‌باشد که صرفاًً برای آشکار سازی حالت ژنی ایجاد نشده است. طراحی فرآیندهای تحلیلی در سطح مولکولی باعث کاهش هزینه‌ها شده و سرعت تجزیه و تحلیل را بالا می‌برد. امروزه ابزارهای تجاری محدودی جهت کاربرد در آزمایشگاه‌های روی تراشه به کار می‌روند که اکثر آنها توسط شرکت‌های فناوری ‌زیستی مستقر در آمریکا تولید شده‌اند. شرکت فناوری‌های آگیلنت (Agilent) و شرکت کالیپر (Caliper) برای ساخت اولین ابزار آزمایشگاه بر روی تراشه همکاری کرده‌اند. این محصول می‌تواند پروتئین‌ها، RNA و DNA را تفکیک کرده و تعداد آنها را معین سازد. هم‌چنین از آن می‌توان برای طراحی آزمایش‌های سلولی استفاده کرد. شرکت‌ سفید(Cepheid) مستقر در آمریکا، کارتریج‌های سیالاتی را تولید می‌کند که می‌تواند استخراج و مرتب سازی DNA را انجام دهد محصولی که در آینده‌ای نزدیک آماده خواهد شد.
آینده فناوری آزمایشگاه روی تراشه متکی است به پیشرفت‌هایی که توسط صنعت ایجاد شده و نیز تجزیه و تحلیل‌ها و قالب‌بندی‌هایی که در دانشگاه صورت می‌گیرد. شرکت CEA در گرنوبل فرانسه در حال ساخت یک آزمایشگاه روی تراشه مبتنی بر دی الکتروفورسیس برای دستکاری هزاران سلول زنده می‌باشد. دیگر آزمایشگاه دانشگاهی، آزمایشگاه علوم الکترونیک‌ طبی دانشگاه فنی مونیخ است که مشغول ساخت تراشه حسگر چند پارامتری برای کاربردهای تصویربرداری و آزمایش میزان حساسیت شیمیایی تومور می‌باشد. البته قبل از آن که ابزارهای آزمایشگاه روی تراشه در زمینه‌های مختلف به کار گرفته شوند باید موانع موجود از سر راه کنار رود موانعی همچون طراحی ابزارهایی با کاربرد آسان، مجتمع‌سازی فناوری‌های آزمایشگاه روی تراشه به‌صورت یک سیستم و کنترل مشکلات میکرو مایعات.
بازار نانوبلورها
نانوبلور، بلوری است در اندازه چند نانومتر که خواص الکترو فیزیکی ویژه‌ای دارد. نوع مهم نانوبلور که تاکنون ایجاد شده است نانوبلور نیمه‌هادی فلورسنت می‌باشد (مانند نقاط کوانتومی با نام تجاری QdotTM محصول شرکت QuantumDotCorp ( . این بلور‌ها خیلی پایدار بوده و نسبت به فلوئورفورها حساسیت بالاتری دارند و می‌توانند برای نشان دادن هدف‌های خاص استفاده شوند (آنها می‌توانند به پادتن‌های ویژه‌ای چسبانده شوند).
این خواص جالب باید به آنها اجازه دهد که فلوئورفورهای کلاسیک را عوض کنند. خاصیت مهم دیگر تفاوت زیاد بین نانوبلور‌هاست که به وسیله تک اشعه لیزر مشخص می‌شوند. اختلاف بین نانوبلورها به اندازه بلور وابسته است. بنابراین بازار مورد نظر برای نانوبلور‌ها در کوتاه‌مدت به وجود می‌آید.
در حال حاضر، تمرکز عمده پژوهش بر تولید نانوبلور‌های محلول در آب می‌باشد که در بسیاری از موارد به عنوان معرف در نشان‌گذاری زیستی استفاده می‌شود. امروزه شرکت‌های فناوری زیستی، رشد قابل ملاحظه‌ای کرده به طوری که بازار جدید برخی نانوبلور‌ها مانند پروب‌های نانوذره‌ای ساخت شرکت nanosphere نیز مهیاست.
به نظر می‌رسد که در آینده نشان‌گذاری زیستی در مقیاس صنعتی به شدت اهمیت پیدا کند. ولی اگر نانوبلور کاربردهایی در دیگر زمینه‌های مهم مانند تصویربرداری پزشکی (به عنوان عوامل تشخیص‌دهنده و نشانگرهای خاص)، دارورسانی (به عنوان حامل‌های درون سلولی) و درمانگرها (به عنوان معالجه‌های سلولی) داشته باشد، ضروری است که با محیط زیست سازگاری داشته باشد.
بازار نانوکره‌ها
محصولاتی که هم اکنون در مقیاس نانومتر در حال توسعه می‌باشند، نانوکره‌های مبتنی بر تعاملات آبگریز- آب دوست می‌باشند. سیستم‌های مختلفی برای ساخت نانو کره‌ها استفاده می‌شود ولی سه تا از مهم‌ترین آنها عبارتند از : کد پلیمرهای توده‌ای، درخت‌سان‌ها ونانوامولسیون‌ها.
پتانسیل نانوکره‌ها به عنوان سیستم‌های جدید دارورسانی (DDSs) مهم است چون ساختار آنها اجازه می‌دهد تا بتوانند ترکیبات دارویی را به صورت کپسول درآورده و از آنها در برابر عوامل بیرونی محافظت کنند. هر سه سیستم طراحی نانوکره‌ها، ویژگی‌های جالبی مانند DDS ها دارند. آنها نیمه عمر ترکیبات فعال را در بدن، از طریق آزاد سازی مداوم افزایش می‌دهند و اندازه کوچکشان به آنها این اجازه را می‌دهد تا به راحتی بتوانند از مویرگ‌های نازک به خصوص در درون تومورها، عبور کنند. امروزه بعضی محصولات مانند NanoCapTM و MedicelleTM که هر دو را یک شرکت ژاپنی به بازار عرضه کرده است به صورت یک محصول تجاری در آمده‌اند.
در آینده نزدیک روش‌های جدید، نانوکره‌ها را قادر می‌سازد تا مخصوص یک سلول یا یک گیرنده عمل کنند (البته اگر به پادتن‌ها متصل ‌شوند.) همچنین این روش‌ها با دارورسانی برای یک هدف خاص بهبود چشمگیری در کارآیی روش‌های درمانی به وجود می‌آورند. به علت قابلیت دسترسی مناسب ترکیبات فعال دارویی، نانوکره‌ها به شدت مورد درخواست شرکت‌های بزرگ دارویی قرار گرفته‌اند. استفاده از نانوکره‌ها همچنین مسیری را پیش‌پای آنها می‌گذارد تا بتوانند اختراع‌هایشان را بر روی مولکول‌های آنها تکرار کنند. زیرا، پیش از این همة شرکت‌های عمده داروسازی، با توجه به روش‌هایی از DSS های نانوکره‌ای، اختراعاتی داشته‌اند.
بازار نانوساختارها
امروزه ساختارهای بزرگ چندین هزار نانومتری به طور وسیعی مورد توجه محققان قرار گرفته‌اند. نانوساختارها گروهی از مولکول‌ها هستند که به وسیله خود مولکول‌ها و یا مونتاژ مکانیکی ایجاد می‌شوند.
این نانوساختارها در ابتدا برای صنایع تشخیصی و دارویی از طریق پیشرفت در فناوری‌های آزمایشگاه روی تراشه به کار گرفته می‌شدند. پژوهش‌های انجام گرفته قصد دارد حساسیت روش‌های آشکار‌سازی را افزایش داده و همچنین پایه و راه‌های جدیدی برای طراحی آرایه‌ها را به وجود آورد. برای چنین کاری دانشمندان حسگرهای زیستی و پوشش‌های زیست تقلیدی (biomimetic) جدیدی را طراحی کرده‌اند. شرکت‌های فعال در این عرصه انواع محصولات را در این زمینه به وجود آورده‌اند. شرکت Nanosys نانوحسگرها را به وجود می‌آورد، در حالی که شرکت Bioforces Nanosciences در حال ایجاد نانوآرایه‌هاست. مزیت عمده چنین نانوساختارهایی این است که موجب کاهش اندازة کلی سیستم تجزیه و تحلیل شده، سرعت پردازش اطلاعات را افزایش داده و امکان انجام همزمان چندین آنالیز را فراهم می‌کند. این فناوری‌ها فقط بر روی حالت ژنی متمرکز نمی‌شوند بلکه می‌توانند بر روی فعل و انفعالات سلولی و مولکولی نیز به کار گرفته شوند.
پیشرفت‌های بعدی در نانوساختارها دانشمندان را قادر خواهد ساخت که به مهندسی بافت و بازارهای دارورسانی دست پیدا کنند. طراحی ماتریس‌ها و مقلدهای زیستی (biomimetic) برای کمک به بازسازی اندام و افزایش تحمل بدن نسبت به اندام‌های کاشتنی به کار می‌روند. دانشمندان مطمئن هستند که روزی خواهند توانست در سایة فناوری‌های‌نانوی زیستی بافت را احیا کنند. در زمینه دارورسانی، نانوساختارها برای طراحی داروخانه‌های روی تراشه(Pharmacy - on - Chip) به کار گرفته می‌شوند. به عنوان مثال، تراشه‌ها را می‌توان در بدن یک فرد دیابتی جاسازی کرد تا با احساس کمبود انسولین در بدن وی، تراشه‌ها به طور مستقیم و بلافاصله انسولین را به دستگاه گردش خون تزریق ‌کنند. در آینده ابزارهایی جهت دارورسانی به وجود خواهند آمد مانند نانوربات‌ها که در بدن گشت می‌زنند تا سلول‌های سرطانی، جراحات و لخته‌های خونی و.... را یافته و آنگاه داروی مربوطه را که به صورت نانوکره‌های کپسولی است را به بدن تحویل دهند. نانوربات‌ها مفهومی است که هنوز با استفاده تجاری فاصله دارد. این مفهوم حداقل در حال حاضر به صورت یک افسانه و تخیل علمی تصور می‌شود.
آینده چه می‌شود؟
نانوسیستم‌ها کاربرد وسیعی در زمینة علوم حیاتی دارند. با محصولاتی که تاکنون تولید شده و با پیشرفت‌هایی که منجر به تولید ابزارهای جدید شده می‌توان کاربرد آنها را بیشتر احساس کرد. (شکل 2)
آشکار است که به وجود آمدن بازار، خود امری جدید و بسیار امیدوار کننده است. امروزه وقت آن رسیده است که آزمایشگاه‌های دانشگاهی امر تحقیقات را به مرحلة همکاری صنعتی پیوند دهند. این بهترین و سریع‌ترین شیوة انتقال نوآوری از آزمایشگاه به بازار است.
نتیجه‌گیری
در بازار امروز میکروتراشة DNA، ابدعات و اکتشافات، نقش مهمی در کمک به تولیدکنندگان تجهیزات، جهت دستیابی به بازارهای جدید و نیز کاربردهایی در رشد بالینی و تشخیص‌های طبی ایفا می‌کنند.
امروزه باید ابزارهایی برای ادامه رشد نیرومند بازار طراحی گردد. نوآوری‌ای که در این بازار مورد نیاز است به وسیله شرکت‌های فناوری زیستی، آزمایشگاه‌های علمی که بر روی قالب‌های جدید تراشة DNA فعالیت می‌کنند، فناوری‌های آزمایشگاه روی تراشه و نیز موضوعات جدید در فناوری‌نانوی زیستی فراهم می‌گردد. با متداول شدن فناوری‌نانوی زیستی، شاهد به وجود آمدن نانواشیا هستیم البته پتانسیل بازار نانواشیا زیاد بوده و کاربردهایی در زمینه‌های عمده‌ای مانند نشان‌گذاری زیستی، دارورسانی و معالجات دارند (شکل2).
این قبیل فواید مهم، برنامه‌های سرمایه‌گذاری کلان صنعتی بر روی میکرو و نانوسیستم‌ها را در علوم حیاتی باعث شده است. البته قبل از آشکار شدن فواید این روش‌ها شرکت‌های فناوری زیستی احتیاج دارند که با تهیه‌کنندگان تجهیزات و آزمایشگاه‌های دانشگاهی که پژوهش‌های بنیادی انجام می‌دهند همکاری داشته باشند.
این همکاری‌ها در قالب شیوه‌های مختلف می‌تواند سازماندهی شود مانند شرکت‌های تحقیق و توسعه، فرصت‌های اعطای مجوز استفاده (لیسانس) داخلی یا خارجی، توزیع سهام دانشگاهی به منظور ارائه پیشرفت‌های علمی.
آشنایی با شرکت ALCIMED:
ALCIMED (به نشانی اینترنتی: www.alcimed.com) یک شرکت مشاورة اروپایی است که در زمینة علوم حیات و شیمی تخصص دارد. این شرکت پیشرفت‌های فناوری و علمی را در قالب موقعیت‌یابی راهبردی، نوآوری‌های بازاریابی و یافته‌های مالی ارائه می‌دهد. از اوایل سال 1993 که این شرکت در زمینه فناوری‌های زیستی صاحب تخصص شد، به تدریج زمینه فعالیت خود را بر پایه علوم حیاتی و خیلی از زمینه‌‌های کاربردی مانند سلامتی، غذا، لوازم آرایشی، محیط زیست و مواد شیمیایی قرار داده است. اعضای این شرکت از 51 شیمیدان، مهندس و زیست‌شناس تشکیل شده که در هر دو جنبه علمی و اقتصادی دارای سابقه فعالیت هستند. این شرکت مأموریت‌های فوق‌العاده متنوعی در ارتباط با مباحث بازرگانی و علمی دارد که عبارتند از: مطالعات بازاری، تجزیه و تحلیل‌های راهبردی، طرح‌های بازرگانی، ارتقاء تولید و توسعه بازرگانی.
جداسازی مولکولها از یکدیگر
جداسازی مبتنی بر الک کردن مولکولی را می‌توان بر روی اجسام بی‌بار در جریان مهاجرت الکترونی ازداخل ژل‌ها انجام داد. این کار اساس جداسازی‌هایی که مبتنی بر اندازه‌های مولکول‌ها نسبت به هم است، را تشکیل می‌دهد و از اصطلاح صاف کردن به وسیله ژل استفاده می‌شود.
سیر تحولی رشد :
در سال 1954 وسیچ نشان داد که جداسازی‌های مبتنی بر الک کردن مولکولی را می‌توان بر روی اجسام بی بار در داخل ژل‌ها انجام داد. در سال 1959 پورات و فلودین اصل معینی را ارائه دادند و از اصطلاح صاف کردن بوسیله ژل برای شرح روش خودشان استفاده کردند. ولی دترمان در سال 1964 پیشنهاد کرد که کروماتوگرافی ژلی را به عنوان اسمی برای این شیوه استفاده شود.
نکات قابل توجه این روش :
در کروماتوگرافی ژلی، فاز ساکن از یک قالب متخلخل تشکیل شده که منفذهای آن به وسیله حلالی که به عنوان فاز متحرک به کار می‌رود، کاملا پر شده است. اندازه سوراخ بسیار مهم است چون اساس جدایی بر این است که مولکول‌های بزرگتر از یک اندازه معین اصلا وارد سوراخ‌ها نشوند و تمام یا قسمتی از سوراخ‌ها برای ورود مولکول‌های کوچک تر آماده است. جریان فاز متحرک موجب می‌شود که مولکول‌های بزرگتر بدون بر خورد با مانعی و بدون نفوذ در قالب ژل از ستون عبور کنند، در حالی که مولکول‌های کوچک‌تر بر حسب شدت نفوذ در ژل در ستون نگه داشته می‌شوند.

خروج اجزای مخلوط :
بدین ترتیب اجزای مخلوط به ترتیب جرم مولکولی از ستون خارج می‌شوند یعنی ابتدا بزرگترین مولکول خارج می‌شود. ترکیباتی که اصلا وارد ژل نمی‌شوند و نیز مولکول‌های کوچکی که کاملا در ژل نفوذ می‌کنند از یکدیگر جدا نمی‌شوند. مولکول‌های با اندازه متوسط بر حسب درجه نفوذ آنها در قالب نگه داشته می‌شوند. اگر مواد ترکیب مشابه داشته باشند، به ترتیب جرم مولکولی نسبی از ستون شسته می‌شوند.
ماهیت ژل کروماتوگرافی :
ژل باید تا حد امکان از نظر شیمیایی بی اثر و از نظر مکانیکی تا حد امکان پایدار باشد. مواد ژلی به صورت دانه تهیه می‌شوند و لازم است اندازه ذرات نسبتا یکنواخت باشد و تخلخل یکنواختی داشته باشد.
نمونه :حجم نمونه مهم است، هر قدر حجم نمونه کمتر باشد کاهش غلظت هر جز در محلول خارج شده بیشتر خواهد بود. این اثر رقیق شدن باید در تصمیم گیری در مورد اندازه‌ ستون¬ها و نمونه مورد توجه قرار گیرد.
با اینکه این روش بیشتر برای جداسازی‌هایی در مقیاس کوچک، در کارهای تحقیقاتی و تجزیه‌ای روزمره بکار می‌رود ولی کاربردهایی نیز در مقیاس بالاتر و در تولیدات صنعتی دارد.
کروماتوگرافی ژلی ابتدا برای جداسازی مولکول‌های بزرگی که منشا زیستی دارند مانند پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها، اسید نوکلوئیک، آنزیم‌ها بکار رفت و هنوز هم بیشترین کاربرد این روش در همین زمینه‌هاست .
نمک‌زدایی از محلول‌ها برای مثال از پروتئین‌ها، یکی از کاربردهای مهم محیط‌های ژلی است
اطلاعات اولیه
کروماتوگرافی تبادل یونی در ستون‌ها، بطور انحصاری در کاربرد رزین‌‌های تبادل یونی محدود می‌‌شود زیرا این مواد به طور عمده خواص مطلوبی، مانند پایداری مکانیکی و شیمیایی و یکنواختی اندازه دانه‌‌ها(ذرات) دارند، پودر سلولز که در آن گرده‌‌های تبادل یونی به طریق شیمیایی قرار داده شده باشند نیز برای جداسازی در ستون‌‌ها به کار می‌‌رود.
ورقه‌‌های سلولز پر شده با رزین‌‌های تبادل یونی را در روش کروماتوگرافی کاغذی برای جداسازی‌‌هایی که شامل تبادل یونی هستند، مورد استفاده قرار داد.
توصیف
در کروماتوگرافی تبادل یونی جداسازی از نوع تبادل یونی که در آنها رزین به جای جاذب در کروماتوگرافی جذبی قرار می‌‌گیرد، است. مقادیر زیادی از رزین‌‌های تبادل یونی برای جدا کردن کامل یون‌‌ها از محلول در آزمایشگاه و نیز در مقیاس صنعتی به کار می‌‌روند.

در اینجا بارهای مثبت به سبب اینکه از سوی رزین کاتیونی دفع می شوند،
سریع تر از ستون عبور نموده و خارج می شوند و بارهای منفی
که توسط رزین جذب شده اند، در نتیجه ی عمل شستشو جداشده
و دیرتر از ستون خارج می شوند.
رزین‌‌‌های متداول تبادل یونی
رزین‌‌‌های متداول تبادل یونی که به طور مصنوعی ساخته می‌‌‌شوند، بر پایه قالب غیر محلولی از یک بسپار بزرگ مانند پلی استیرن ، استوار هستند.
با بسپار کردن استیرن در حضور مقدار کمی از دی وینیل بنزن ساخته می‌‌‌شوند. دی وینیل بنزن میزان اتصالات عرضی را که عامل مهمی در کروماتوگرافی است کنترل می‌‌‌کند.
واحد تشکیل دهنده ی بسپار، تک پار می باشد. اگر این واحدهای تشکیل دهنده به صورت پشت سر هم قرار گیرند به طوریکه تشکیل زنجیردهند، بسپار خطی خواهیم داشت . مثل این:

در صورتیکه اگر واحد تک پار، موجب اتصال دو زنجیر به صورت عرضی به یکدیگر شود بسپار شبکه ای یا بسپار با اتصالات عرضی خواهیم داشت .

اتصالات عرضی بسپار را به حالت نا محلول در می‌‌‌آورد. اگر میزان اتصالات عرضی خیلی کم باشد رزین مستعد جذب مایع اضافی می‌‌‌شود و در نتیجه آماس زیادی می‌‌‌کند، در حالی که اتصالات عرضی زیاده از حد، ظرفیت تبادل رزین را احتمالا به علت ممانعت فضایی کم می‌‌‌کند.
گرده‌‌‌های قطبی که باعث خواص تبادل یون در رزین می‌‌‌شوند بعد از عمل بسپار شدن به رزین اضافه می‌‌‌شوند. با بسپار شدن می‌‌‌توان دانه‌‌‌هایی با اندازه‌‌‌های معین تهیه کرد و در این صورت است که رزین‌‌‌ها برای عمل یون زدایی و اهداف کروماتوگرافی به کار می‌‌‌روند. بعضی از رزین‌‌‌ها را به شکل ورقه می‌‌‌سازند که در این صورت غشاهای تبادل یونی به دست می‌‌‌آیند. این غشاها به این صورت کاربردی در کروماتوگرافی ندارند ولی می‌‌‌توان از آنها برای نمک‌‌‌زدایی محلول‌‌‌ها، که ممکن است یک عمل مقدماتی ضروری برای یک جداسازی کروماتوگرافی مورد نظر باشد، استفاده کرد.
مواد مبادله کننده یون
تبادل گرهای کاتیونی و آنیونی دو نوع عمده مواد مبادله کننده یون هستند که آنها را به نوبه خود می‌‌‌توان بر حسب قدرتشان به اسید و باز تقسیم‌‌‌بندی کرد.
در کروماتوگرافی، محلول‌‌‌های بکار رفته اکثرا رقیق هستند و در نتیجه روش شستشو بیشتر به کار می‌‌‌رود و اغلب جداسازی‌‌‌های بسیار رضایت بخشی به دست می‌‌‌آید. در مورد رزین‌‌‌ها تجزیه جانشینی و تجزیه مرحله‌‌‌ای و شستشوی تدریجی همگی به کار می‌‌‌روند. ولی از تجزیه جبهه‌‌‌ای استفاده نمی‌‌‌شود. روش دیگر شستشو، تحت عنوان گزینش‌‌‌پذیری، نیز کار مفیدی دارد. این روش به فعالیت یون‌‌‌هایی بستگی دارد که باید بوسیله عامل شوینده‌‌‌ای که با یون‌‌‌ها تشکیل کمپلکس می‌‌‌دهد جدا شوند.
تشکیل کمپلکس بدون شک عامل مهمی در سایر روش‌‌‌های کروماتوگرافی، مخصوصا در جداسازی‌‌‌های معدنی روی کاغذ است، ولی در هیچ یک از سایر روش‌‌‌ها این موضوع به همان وسعت که در کروماتوگرافی تبادل یونی استفاده شده، مطالعه نشده است. یکی از قدیمی‌‌‌ترین و جالب‌‌‌ترین موفقیت‌‌‌ها در کروماتوگرافی تبادل یونی جداسازی لانتانیدها در یک رزین اسید قوی و با استفاده از یک محلول سیترات تامپونی برای شستشو است.
کروماتوگرافی نمک زنی
در روش کروماتوگرافی نمک‌‌‌زنی، از رزین‌‌‌های تبادل یونی برای جداسازی غیر الکترولیت‌‌‌ها، با شستن آنها از ستون به وسیله محلول‌‌‌های آبی یک نمک، استفاده می‌‌‌شود. اجسام جدا شده بوسیله این روش، اترها و کتون‌‌‌ها هستند.
تبادل‌‌‌گرهای یون معدنی
بعضی از نمک‌‌‌های معدنی برای پر کردن کاغذ و آماده‌‌‌سازی آن به منظور استفاده در جداسازی‌‌‌ها که بر اثر تبادل یون صورت می‌‌‌گیرند، بکار می‌‌‌روند. یکی از دلایل توجه به مواد معدنی این است که تبادل‌‌‌گرهای یونی رزینی بر اثر تابش مستعد خراب شدن هستند. بنابراین در حقیقت برای استفاده با محلول‌‌‌های خیلی فعال مناسب نیستند. مواد معدنی دارای مزایای دیگری مانند گزینش پذیری خیلی زیاد برای بعضی از یون‌‌‌ها مانند روبیدیم و سزیم و توانایی در برابر محلول‌‌‌های با دمای بالا هستند.
به علاوه تبادل‌‌‌گرهای یونی معدنی وقتی که در آب قرار می‌‌‌گیرند به مقدار قابل توجهی آماس نمی‌‌‌کنند و حجم آنها با تغییر قدرت یونی محلول در تماس با آنها تغییر نمی‌‌‌کند. از طرف دیگر، بعضی از مواد معدنی معایبی مانند انحلال‌‌‌پذیری یا والختی در بعضی از pHها که در آن معمولا رزین‌‌‌ها پایدارند، دارند یا ممکن است در محلول‌‌‌هایی که رزین‌‌‌هاغیر محلول هستند، حل شوند.
همچنین تبادل‌‌‌گرهای یونی معدنی ممکن است به شکل بلورهای ریز باشند که به علت ممانعت از عبور فاز متحرک، برای پر کردن ستون‌‌‌ها مناسب نیستند. اگرچه راههایی برای فائق آمدن به این مشکل وجود دارد.
کاربرد فناوری‌نانو در پاکسازی محیط زیست
یکی از مهم‌ترین کاربردهای فناوری‌نانو در محیط زیست، تصفیه آلاینده‌های آب‌های زیرزمینی با نانوذرات آهن (zero-valent iron) یا Nzvi است که بازده و راندمان قابل توجهی دارد، اما نامشخص بودن خصوصیات اساسی این فناوری مشکلاتی در رابطه با استفادi بهینه و یا ارزیابی خطرات آن از لحاظ انسانی و اکولوژیکی به وجود آورده است. در این مقاله به سه مورد اساسی که باعث سوء تفاهم در مورد این فناوری می‌شود اشاره می شود: 1)nZVI هایی که در تصفیi آب‌های زیرزمینی استفاده می‌شوند بسیار بزرگتر از ذراتی هستند که تأثیرات حقیقی در اندازه نانو را نشان می‌دهند. 2) واکنش‌پذیری بالای این ذرات عمدتاً نتیجه سطح ویژه بالای آنها است. 3) تحرک nZVI تقریباً در تمامی شرایط کمتر از چندمتر است. لذا استفاده از آن در تصفیه به حداقل می‌رسد.
یکی از مهم‌ترین کاربردهای فناوری‌نانو در محیط زیست، تصفیه آلاینده‌های آب‌های زیرزمینی با نانوذرات nZVI (zero-valent iron) است که بازده و راندمان قابل توجهی دارد، اما نامشخص بودن خصوصیات اساسی این فناوری مشکلاتی در رابطه با استفاده بهینه و یا ارزیابی خطرات آن از لحاظ انسانی و اکولوژیکی به وجود آورده است.
در این مقاله به سه مورد اساسی که باعث سوء تفاهم در مورد این فناوری می‌شود اشاره می شود:
1. nZVI هایی که در تصفیه آب‌های زیرزمینی استفاده می‌شوند بسیار بزرگتر از ذراتی هستند که تأثیرات حقیقی در اندازه نانو را نشان می‌دهند.
2. واکنش‌پذیری بالای این ذرات عمدتاً نتیجه سطح ویژه بالای آنها است.
3. تحرک nZVI تقریباً در تمامی شرایط کمتر از چندمتر است. لذا استفاده از آن در تصفیه به حداقل می‌رسد.
به هر حال هنوز سئوالات زیادی در مورد این فناوری وجود دارد: مثلاً این که چگونه nZVI به سرعت جابه‌جا خواهد شد؟ این جابه‌جایی به سمت چه محصولاتی است؟ آیا این مواد در محیط زیست قابل تشخیص هستند؟ و اینکه چگونه تغییرات سطح nZVI باعث تغییر طول عمر و تأثیر آن روی تصفیه خواهد شد؟
کاربردهای نویدبخش فناوری‌نانو در محیط زیست بسیار زیاد است؛ این مطلب در ”پیشرفت محیط‌زیستی“ به عنوان یکی از هشت زمینه پیشرو فناوری‌نانو که از جانب NNI تعیین شده منعکس شده است. در حقیقت، تقریباً تمام برنامه‌های NNI (پدیده‌های بنیادی، مواد، روش‌ها، اندازه‌گیری و غیره) جنبه‌های محیطی دارند. نگرانی‌های زیست محیطی تقریباً در تمام 11 سازمان حاضر در برنامه NNI قابل مشاهده است.
بیشتر کاربردهای زیست محیطی فناوری‌نانو در سه مقوله جای می‌گیرند:
1. محصولات بی‌خطر برای محیط زیست یا محصولات با قابلیت تحمل بالا مثلاً شیمی سبز؛
2. تصفیه موادی که با ذرات خطرناک آلوده شده‌اند؛
3. حسگرهایی برای ذرات محیطی.
با اینکه معمولاً این سه مقوله در زمره موادشیمیایی یا مواد نانوبیولوژیکی تلقی می‌شود باید توجه کرد که این موارد می‌تواند در مورد عوامل میکروبی و مواد زیست‌محیطی نیز کاربرد داشته باشد. فناوری‌نانو‌ نقش مهمی در بهبود روش‌های کشف و پاک‌سازی عوامل زیست‌محیطی مضر دارد.
دو فناوری متعارف تصفیه که در فناوری‌ ‌نانو نیز از آنها استفاده می‌شود عبارتند از: جاذبه و واکنش درجا و غیردرجا. در فناوری‌ تصفیه جاذبه‌ای به کمک فرآیند جداسازی، آلاینده‌ها (به خصوص فلزات) را جدا می‌کنند؛ در حالی که فناوری‌ واکنشی باعث تجزیه آلاینده‌های می‌شود. گاهی اوقات تمام روش‌ها به سمت تولید محصولات کم ضررتر است مثلاً در مواردی که آلاینده‌ها آلی باشند محصولاتی مثل CO2 و H2O تولید می‌شود.
در فناوری‌‌ درجا، پاک‌سازی آلودگی در همان محل آلودگی صورت می‌گیرد در حالی که در فناوری‌ غیر درجا، عملیات پاک‌سازی پس از انتقال مواد آلوده کننده به مکان‌ مطمئن انجام می‌شود؛ به عنوان مثال آب‌های زیرزمینی آلوده به سطح زمین پمپ شده و پاک‌سازی آنها در راکتورهای واقع در سطح زمین انجام می‌شود.
فناوری‌نانو غیردرجا
یک مثال برجسته از فناوری‌نانو برای تصفیه آلاینده‌ها از طریق جذب سطحی، تک لایه‌های خودآرا روی پایه میان حفره‌ای یا SAMMS است. SAMMS از طریق خود آرایی‌ یک لایه از عوامل سطحی فعال شده بر روی پایه‌های سرامیکی میان حفره‌ای به وجود می‌آید که سبب ایجاد موادی با سطح ویژه بسیار بالا (تقریباً1000 m2/g) می‌شود. خصوصیات جذبی این مواد را به گونه‌ای می‌توان تنظیم کرد که آلاینده‌های خاص مثل جیوه، کرومات، آرسنات، پرتکنتات، و سلنیت را جذب کند.
پلیمرهای درخت‌سانی، نوع دیگری از مواد نانوساختار هستند که پتانسیل تصفیه آلاینده‌ها را دارند. نمونه‌های جدید این روش شامل اولترافیلتراسیون بهبود یافته با درخت‌سان‌ها به منظور حذف Cu+2 از آب و حذف آلاینده‌های Pb+2 از خاک است.
این دو نوع نانوساختار جاذب که در فرایندهای غیردرجا استفاده می‌شوند، می‌توانند مواد پرخطر را در غلظت بالایی در سطح خود جمع کنند.
تجزیه آلاینده‌ها به کمک فناوری نانو بر خلاف تصفیه از طریق جذب مختص آلاینده‌های آلی است. روش رایج تصفیه آلاینده‌های آلی فوتواکسیداسیون (photooxidation) به وسیله کاتالیزورهای نیمه‌رسانا (مثلTiO2 ) است. قابلیت فوتوکاتالیست‌های کوانتومی (اندازه ذره تقریباً 10 nm) مدت‌هاست که در تجزیه آلاینده‌ها شناخته شده‌ است.
به هر حال همان‌طور که در توضیح فناوری‌های جاذب گفته شد فوتواکسیداسیون به وسیله نیمه‌هادی‌های نانوساختار یک روش غیردرجا است؛ چون به نور نیاز دارد و باید در یک راکتور که برای این کار طراحی شده است؛ انجام شود.
فناوری‌نانو‌ درجا
واکنش تنها زمانی رخ می‌دهد که آلاینده‌ها به صورت محلول در آب‌های زیرزمینی باشند و یا مثل DNAPL به سطوح Fe متصل باشند.
تجزیه درجای آلاینده‌ها، بر سایر روش‌ها ارجحیت دارد؛ زیرا این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر است. البته تصفیه درجا مستلزم تداخل آلاینده‌ها با عملیات پاک‌سازی است و این خود مانع اصلی در توسعه و بسط این نوع فناوری‌ها است. امکان تزریق نانوذرات (واکنشی و جذبی)، در محیط‌های متخلخل آلوده‌ مثل خاک‌ها، رسوبات و محیط‌های آبی، سبب شده است تا این روش از پتانسیل بالایی برخوردار باشد. در این روش یکی از دو امکان زیر باید وجود داشته باشد:
1. ایجاد نواحی واکنشی درجا با نانوذراتی که تقریباً بی‌حرکت هستند؛
2. ایجاد توده نانوذرات واکنشی که به سمت مناطق آلوده حرکت می‌کنند؛ البته اگر این نانوذرات به اندازه کافی متحرک باشند. (همان گونه که درشکل (1) نشان داده شده است).
در زیر بیشتر به تحرک درجای نانوذرات می‌پردازیم، زیرا تحرک درجای نانوذرات معمولاً باعث ایجاد سوء تفاهم در فهم مطلب می‌شود.
با وجود اینکه نانوذرات گوناگونی (مثل دو قطبی غیریونی، پلی‌یورتان و یا فلزات نجیبی روی پایه آلومینا) در تصفیه درجا قابل استفاده‌اند؛ اما تا به حال بیشترین توجه به نانوذرات حاوی nZVI شده است. تمایل به استفاده از nZVI برای تصفیه باعث بهبود شیمی تصفیه و یا گزینه‌های توسعه آن شده است.
این امر منجر به انتقال بسیار سریع این فناوری از مرحله آزمایشگاهی به مرحله نیمه‌صنعتی شده است. کاربردهای تجاری nZVI در تصفیه به سرعت رایج و بازارهای رقابتی شدیدی در زمینه مواد حاوی nZVI و تأمین کنندگان خدمات آن به وجود آورده است.
برخی تصورات غلط راجع به اصول اساسی فناوری تصفیه مبتنی بر nZVL کاربردهای آن در محیط زیست وجود دارد. با اینکه این مطالب بسیار به هم وابسته‌اند ولی ما می‌توانیم آنها ر ا در سه گروه تقسیم کنیم: ریخت‌شناسی ذره، واکنش‌پذیری و تحرک.
در ادامه، نکات کلیدی سه دسته بالا را توضیح می‌دهیم تا بتوانیم به یک جمع‌بندی راجع به این فناوری‌ دست یابیم و از این طریق به پیشرفت‌های زیست محیطی فناوری کمک کنیم.
ویژگی‌های نانوذرات ریخت‌شناسی
تعریف‌های گوناگونی در مورد اندازه نانو ارائه شده است؛ اما باید به این نظریه اشاره کرد که اندازه نانو محدوده‌ای از اندازه مولکول‌ها و مواد است که ذرات در این محدوده، خواص بی‌همانند یا به طور کیفی، متفاوت با ذرات بزرگ‌تر از خود دارند.
بیشتر نمونه‌هایی که این خواص را دارند، دارای اندازه‌ای در محدوده کوچک‌تر از 10 نانومتر هستند؛ زیرا در این محدوده، اندازه ذرات به اندازه آنها در شرایط مولکولی پایدار نزدیک‌تر است.
یکی از این مثال‌ها محدوده کوانتومی است که به این علت به وجود می‌آید که با کاهش اندازه ذرات، باند گپ (bandgap) افزایش یافته، باعث به وجود آمدن برخی ویژگی‌های مفید در فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی می‌شود که در بخش فناوری‌های غیردرجا توضیح داده شد.
خصوصیات دیگری که در اندازه‌های زیر 10 نانومتر تغییر می‌کند سطح ویژه است که در شکل (2) نشان داده شده است.
از نظر کیفی فاکتورهای دیگری نیز وجود دارند که در تعیین این خصوصیات دخالت دارند، مثل نسبت اتم‌های سطحی به اتم‌های توده و قسمتی از حجم ذره که شامل ضخامت محدود لایه سطحی است (حجم سطحی).
آماده‌سازی nZVI برای استفاده در کاربردهای تصفیه‌ای، به طور معمول در این محدوده- بین چند ده تا چند صد نانومتر- انجام می‌شود. علاوه بر این، ذرات nZVI حتی تحت شرایط آزمایشگاهی هم تمایل دارند که به هم بپیوندند و متراکم شوند و در نتیجه مجموعه‌هایی تولید می‌شود که اندازه آنها ممکن است نزدیک چند میکرون شود. این بدان معنی است که nZVI و مواد مرتبط با آن که در کاربردهای تصفیه محیط‌زیست استفاده می‌‌شوند، خصوصیات فوق‌العاده مورد انتظار برای نانوذرات حقیقی را از خود نشان نخواهند داد و اغلب همانند کلوئید‌های محیط زیست رفتار خواهند کرد.
واکنش‌پذیری
واکنش‌پذیری زیاد نانوذرات می‌تواند نتیجه سطح ویژه بالای نانوذرات، چگالی بیشتر نواحی واکنش‌پذیر روی سطوح ذره و یا افزایش واکنش‌پذیری این نواحی بر روی سطح باشد.
این فاکتورها مجموع سه نتیجه واضح وکارا را در مورد nZVI در پی داشته است:
1. تجزیه آلاینده‌هایی که واکنش‌ چندانی با ذرات بزرگ‌تر نمی‌دهند. مانند پلی فنیل های کلرینه شده؛
2. تجزیه بسیار سریع‌تر آلاینده‌هایی که پیش از این با سرعت‌های مناسبی با ذرات بزرگ‌تر واکنش نشان می‌دادند، مانند اتیلن‌های کلرینه شده؛
3. دسترسی به محصولات مطلوب‌تر با تجزیه آلاینده‌هایی که به وسیله مواد بزرگ‌تر سریعاً تجزیه می‌شوند؛ اما باعث به وجود آمدن محصولات فرعی نامطلوبی مثل تتراکلریدکربن می‌شوند.
از این سه دسته تأثیرات واکنشی، دومین دسته (تجزیه سریع‌تر آلاینده‌های قابل تجزیه) بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. علت این تأثیر با اینکه یک مسئله بسیار کاربردی، بنیادی و با اهمیت است کمتر شناخته شده است. اما برای تجزیه تتراکلرید کربن به وسیله nZVI ، نسبت ثابت سرعت‌های نرمال شده بر حسب سطح ویژه ksa را با ثابت سرعت‌های نرمال شده بر حسب جرم km مقایسه کردیم، نتایج نشان داد که ksa برای نانوذرات nZVI برابر این پارامتر در ذرات میلی‌متری nZVIاست؛ اما km آن بزرگ‌تر از ذرات میلی‌متری است (شکل 3). بنابراین تجزیه سریع‌تر تتراکلرید کربن به وسیله nZVI به خاطر سطح ویژه بالای آن است، نه به خاطر بیشتر بودن فراوانی نقاط واکنش‌پذیر روی سطح و یا واکنش‌پذیرتر بودن این نقاط. این نتیجه ممکن است در مورد سایر آلاینده‌هایی که با nZVI واکنش می‌دهند نیز صدق کند اما اطلاعات ما در این مورد ناکافی است.
باید توجه داشت که این تحلیل شامل ترکیبات دوفلزی nZVI با کاتالیزرهای فلزات نجیب مثل Pd، Ni و Cu نیست. این مواد دو فلزی معمولاً دارای مقادیر ksa بالایی هستند، ولی این افزایش در درجه اول نتیجه تأثیر خاصیت کاتالیستی فلزات نجیب است که در مورد ذرات بزرگ‌تر نیز مشاهده می‌شود.
اما مشکلی که هست این که افزایش واکنش‌پذیری معمولاً همراه با کاهش انتخاب‌پذیری است که موجب واکنش nZVI با مواد غیرهدف شامل اکسیژن غیرمحلول و آب‌ و در نتیجه پایین آمدن راندمان تصفیه با nZVI می‌شود.
شکل فوق منجر به پیدایش نیاز به تزریق ذرات به سیستم و درنتیجه بالا رفتن هزینه عملیات خواهد شد.
با محدود کردن مواد ناخواسته (مواد غیرهدف شامل اکسیژن و آب) به وسیله گیرنده‌های ارزان‌تر می‌توان طول عمر کوتاه nZVI را مفیدتر کرد؛ البته اگر ذرات تحرک قابل ملاحظه‌ای از خود نشان دهند.
تحرک
نانوذرات در محیط‌های متخلخل تحرک زیادی خواهند داشت، زیرا اندازه آنها از اندازه سوراخ‌های محیط‌های متخلخل بسیار کوچک‌تر است اما اینکه ما فرض کنیم علت تحرک نانوذرت تنها این مطلب است بسیار ساده انگاری است. معمولاً تحرک نانوذرات را در محیط‌های متخلخل اشباع، دو فاکتور تعیین می‌کند: تعداد برخوردهای نانوذرات با محیط متخلخل به ازای واحد جابه‌جایی؛ و ضریب چسبندگی (احتمال اینکه هر برخورد، منجر به حذف ذره از جریان شود). برخورد ممکن است در نتیجه سه عامل رخ دهد: حرکت براونی، بازدارنده‌ها (عواملی که مانعی از حرکت نانوذره می‌شوند) و رسوب‌گذاری گرانشی. نانوذرات در محیط‌های متخلخل اغلب حرکت براونی دارند. برای ذرات بزرگتر از 400 نانومتر با چگالی بالا‌ (مثلاً 7.68 g/cm2 برای ذرات آهن خالص) تأثیر جاذبه می‌تواند بسیار مهم باشد. با استفاده از روش بازده single-Collector که به وسیله Tufenkji و Elimelech ارائه شده و تئوری فیلتراسیون deep-bed، این امکان وجود دارد که بتوان فاصله جابه‌جایی را که در آن، 99 درصد حذف نانوذرات به عنوان تابعی از خواص سطحی و ضریب چسبندگی صورت می‌گیرد، محاسبه کرد.
شکل (4) نشان می‌دهد که محدوده فاصله جابه‌جایی در شرایط سطحی متعارف، از چند میلی‌متر تا چند ده متر متناسب با ضریب چسبندگی است.
ضریب چسبندگی گزارش شده برای nZVI معمولی در انواع محیط‌های متخلخل، بین 0.14 تا یک است؛ این به معنی فاصله جابه‌جایی چند سانتی‌متر در محیط‌های متخلخل در شرایط آب‌های زیرزمینی است (شکل4). این امر موجب ایجاد علاقه قابل ملاحظه‌ای برای تغییر سطح نانوذرات در جهت افزایش فاصله جابه‌جایی شده است.
بدین ترتیب ضرایب چسبندگی کوچک‌تری برای این گونه نانوذرات و سایر نانوذرات گزارش شده است (0.001 برای نانوذرات Fe که سطح آنها بهبود یافته است و 0.0001 برای نانوذراتی که پایه کربنی دارند). اما حتی این ضرایب چسبندگی کوچک هم به طور قطعی باعث تحرک بیشتر (بیش از چندمتر) نانوذرات در آب‌های زیرزمینی نمی‌شود، به جز در آب‌های زیرزمینی با سرعت حرکت خیلی زیاد.
خطرات
مباحث فوق در مورد ریخت‌شناسی، واکنش‌پذیری و تحرک نانوذرات در زمینه تصفیه ‌محیط زیست نشان می‌دهد که دانش ما در مورد فرآیندهای پایه در این فناوری هنوز ناکافی است. به علاوه، خطرات احتمالی این فناوری برای سلامت انسان و محیط‌زیست، انجام این روش در مقیاس انبوه را با مشکل مواجه کرده است. مخصوصاً با توجه به کاربردهای درجای nZVI (یا مواد وابسته) برای تصفیه محیط‌های متخلخل، هنوز تحقیقات مستقیم و قابل ملاحظه‌ای که خطرات آن را مورد توجه قرار دهد انجام نشده است. برخی گروه‌ها حالت احتیاطی (پیشگرانه) را پذیرفته‌اند و کاربردهای درجای نانوذرات برای تصفیه را ممنوع کرده‌اند در حالی که برخی گروه‌ها آن را توصیه کرده‌اند. در واقع تحقیقات در این زمینه باید به طور موازی صورت گیرد.
این معما که چگونه می‌توان از نانوذرات برای تصفیه استفاده کرد باید به زودی و با استفاده از نتایج تحقیقات در حال انجام، قابل حل و دسترسی باشد. مهم‌ترین این خطرات استنشاق ذرات‌ریزی است که از طریق هوا جابه‌جا می‌شوند.
به هر حال هم‌اکنون ما می‌توانیم نتیجه بگیریم با اینکه nZVI و مواد مرتبط با آن، در کاربردهای تصفیه‌ای درجا استفاده می‌شوند، از مواد ویژه‌ای که در دسترس ما هستند کوچک‌تر، واکنش‌پذیرتر، مقاوم‌تر و متحرک‌تر بوده و در عین حال احتمال خطرزایی برای انسان و محیط زیست را دارا هستند
کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت آب
جمعیت جهان در حال افزایش و منابع آب آشامیدنی رو به کاهش است؛ بنابراین ممکن است جهان در آینده با مشکل کمبود آب مواجه شود. افزایش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی نیز تشدید می‌شود سبب شده‌است تا تأمین آب بهداشتی به یکی از دغدغه‌های اساسی جامعه جهانی تبدیل شود. امراض ناشی از آلودگی‌های آب هرروزه هزاران و شاید دهها هزار نفر را می‌کشد.
توانایی بازیافت آب، امکان دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را ایجاد می‌کند. با به کارگیری فناوری‌های الکتریکی و مکانیکی به ‌سادگی می‌‌توان آب آلوده را برای استفاده در کشاورزی و یا حتی برای مصارف خانگی بازیافت نمود. بدین‌ترتیب فیلترنمودن آب با فیلترهای نانومتری، تحولی عظیم در بازیافت و استفاده مجدد از آب‌های صنعتی و کشاورزی ایجاد می‌کند. فیلترهای فیزیکی با منافذی در حد نانومتر می‌توانند باکتری‌ها، ویروس‌ها و حتی واحدهای کوچک پروتئین را صددرصد غربال کنند. با جداساز‌های الکتریکی که یون‌ها را به وسیله صفحات ابرخازن جذب می‌کند می‌توان نمک‌ها و مواد سنگین را جذب کرد. بررسی‌ فعالیت‌های مختلف دنیا، شامل برنامه‌های در دست اجرا و برنامه‌های آتی مراکز صنعتی و پژوهشی، نشان می‌دهد که حوزه تصفیه یکی از حوزه‌های کاربرد فناوری‌نانو در صنعت آب است؛ و با بهره‌گیری از آن، هزینه‌های تصفیه آب به میزان زیادی کاهش خواهد یافت.
دو زمینه اصلی در این عرصه عبارتند از:
فیلترهای نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب در سیستم‌های موجود؛
نانوحسگرهای زیستی به منظور تشخیص سریع و کامل آلودگی‌های آب.
در این مقاله به بررسی تعدادی از کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت آب می‌پردازیم.
نانوفیلتراسیون فناوری‌های جدید، امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم می‌کند. آب تصفیه‌شده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آب‌معدنی تصفیه‌شده ارزش دارد. با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر، از آن حذف می‌شود. نانوفیلتراسیون یک روش مفید بین روش‌های اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون است. اولترافیلتراسیون به دلیل بالاتر بودن مقدار آلاینده‌های معدنی و قلیایی نسبت به حد مجاز و روش اسمز معکوس به دلیل تولید خلوص بیش از حد محصول و بالا بودن قیمت دارای نقایصی هستند.
دانشمندان دانشگاه باناراس (Banaras) روش ساده‌ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانولوله‌های کربنی توسعه داده‌اند که قادر به حذف مؤثر آلاینده‌های میکرو‌ و نانومقیاس از آب و نیز حذف هیدروکربن‌های سنگین از نفت خام است. استفاده از نانولوله‌های کربنی در ساخت فیلترها سبب سهولت در تمیز کردن، افزایش استحکام، قابلیت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما می‌شود. این فیلترها دارای دقت بسیار مناسبی در کاربردهای مختلف هستند، به عنوان مثال قادرند پولیوویروس‌هایی با اندازه 25 نانومتر را به خوبی پاتوژن‌های بزرگ‌تری مانندE. Coil و باکتری‌های استافیلوکوک، از آب حذف نمایند. نانوفیلتراسیون دارای مزایایی مانند قیمت پایین، و کنترل مقدار کاهش آلاینده‌ها در آب تصفیه شده است.
شرکت آرگوناید (argonide) در حال استفاده از نانوفیبرهای اکسید آلومینیوم با اندازه دو نانومتر برای تصفیه آب است. فیلترهایی که از این فیبرها ساخته شده‌اند، می‌توانند ویروس‌ها، باکتری‌ها و کیست‌‌ها را از بین ببرند.
شیرین سازی آب به وسیله نانوغشاها
غشاء نانو لوله‌ای
محققان آزمایشگاه ملیLawrence Livermore با همکاری دانشگاه برکلی کالیفرنیا غشاهایی با حفره‌هایی از جنس نانولوله‌های کربنی ساخته‌اند که به کمک آن امکان جداسازی ارزان‌تر گاز و مایع فراهم می‌شود. در حال حاضر اغلب غشاهای موجود از جنس مواد پلیمری هستند که برای کاربردهای دما بالا مناسب نیست. استفاده از این نوع غشاها نمی‌تواند توازن قابل قبولی بین ورودی غشا و قابلیت انتخاب آن برقرار نماید، یعنی ورودی بالا منجر به کاهش انتخاب‌پذیری است و بالعکس؛ اما دانشمندان با استفاده از نانولوله‌های کربنی توانسته‌اند این دو امر به ظاهر متضاد را با هم جمع و امکان انتخاب‌پذیری خوب همراه با ورودی بالا را فراهم کنند.
این محققان توانسته‌اند روشی برای ساخت این غشاها بیابند که با سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) هم سازگار باشد. این غشاهای جدید با حفره‌های کوچک‌تر و با تراکم بسیار و امکان عبور شدت جریان زیاد از هر حفره، از لحاظ گذردهی آب و هوا نسبت به غشاهای پلی‌کربناتی فعلی بسیار برترند. این غشاهای بهبود یافته کاربردهای فراوانی در تصفیه آب دارند.
کامالش سیکار(Kamalesh Sirkar) در مؤسسه فناوری نیوجرسی از روش جداسازی غشایی در شیرین‌سازی آب استفاده کرده ‌است. در روش جداسازی غشایی، آب شور داغ را روی ورقه نازکی از غشایی دارای سوراخ‌های ریز موسوم به نانوحفره می‌ریزند. این حفره‌ها آنقدر کوچکند که تنها بخار می‌تواند از آنها عبور کند و آب، مایع، نمک‌ها و مواد معدنی دیگر در پشت غشا می‌مانند. در طرف دیگر محفظه‌ای از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور از آن، کندانس شده و دوباره به مایع تبدیل می‌شود. ابزاری که در این روش به کار رفته است، عبارت است از دستگاهی مستطیل شکل با مجموعه‌ای از غشاهای الیاف مانند توخالی که مایع به طور عرضی در آن جریان می‌یابد. این غشاها به صورت هزاران لوله به شکل تار مو در آمده، سپس آنها را به صورت بسته‌هایی داخل یک جعبه قرار می‌دهند. در این شکل نمونه آزمایشی از این دستگاه آب شیرین‌کن نشان داده شده است. در قسمت وسط، دسته‌ای از هزاران لوله توخالی شبیه تارمو قرار دارد. جداره این لوله‌ها را هم غشاهایی با نانوحفره‌های کوچک تشکیل می‌دهد.
تصفیه آب به کمک نانوذرات
نانوذرات لانتانیوم تولیدی شرکت آلتایرنانو (Altairnano) فسفات را از محیط‌های آبی جذب می‌کند. به‌کارگیری این نانوذرات در حوضچه‌ها و استخرهای شنا می‌تواند به طور مؤثری فسفات موجود را از بین برده و در نتیجه از رشد جلبک‌ها جلوگیری نمایند. تحقیقات دانشگاه Lehigh آمریکا نشان می‌دهد که نانوپودرها می‌توانند به عنوان ابزاری مناسب برای پاک‌سازی خاک‌های آلوده و آب‌های زیرزمینی استفاده شوند. نانوذرات آهن موجب اکسیده و درهم شکستگی ترکیبات آلوده کننده مانند تری‌کلرواتیلن، تتراکلرید کربن، دیوکسین‌ها وPCB ها شده، آنها را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت بسیار پایین‌ تبدیل می‌کند .
برای از بین بردن اغلب فلزات سنگین موجود در آب، روش تصفیه کاتالیزوری گزینه مناسبی نیست، بنابراین محققان به جای آن از روش‌های جذب روی پلیمرها و یا ذرات افزودنی استفاده می‌کنند. آرسنیک از آلاینده‌های بسیار سمی رایجی است که هم به طور طبیعی و هم به شکل پساب‌های بشری باعث آلودگی آب می‌شود. مصرف این ماده سبب افزایش سرطان‌های مثانه و روده‌ می‌شود. در سطح جهان آمار مسمومیت با آرسنیک بسیار بالا است و در بسیاری از کشورهای در حال توسعه مانند بنگلادش که بیش از 10 تا 20 درصد جمعیت آن دچار مسمومیت با آرسنیک شده‌اند، یک فاجعه بهداشتی تلقی می‌شود. اغلب آلایندگی‌های ناشی از آرسنیک به کشورهای جهان سوم اختصاص دارد. به این ترتیب نیاز شدیدی به فناوری‌های نوین احساس می‌شود تا بتوان آلاینده‌های فلزی سنگین مانند آرسنیک را از آب آشامیدنی حذف کرد. به همین منظور محققان دانشگاه رایس، از نانوبلورهای مغناطیسی به عنوان هسته اصلی سیستم‌های تصفیه جدید استفاده کرده‌اند.
سطوح معدنی آهنی نه تنها تمایل شدیدی به جذب آرسنیک دارند، بلکه با انتخاب اندازه مناسب می‌توان به راحتی این ذرات مغناطیسی را به واسطه جداسازی مغناطیسی از آب جدا کرد. نانوذرات همان کارایی توده آهنی را در جذب آرسنیک دارند. در واقع نه تنها ظرفیت جذب آرسنیک آنها بالاتر است، بلکه به محض قرار گرفتن این ماده در کنار نانوذرات جدا کردن آنها سخت می‌شود. در نظر گرفتن تمام این نتایج، نشان می‌دهد که نانوذرات مغناطیسی جاذب‌های بسیار کارامدی برای آرسنیک خصوصاً در pH پایین هستند و خاصیت جذبی غیرقابل برگشت آنها مخزن مناسبی را برای جمع‌آوری آلاینده‌ها فراهم می‌کند.
تصفیه پساب‌های صنعتی
پساب‌های صنعتی صنایع شوینده، غنی از اکسیژن بیوشیمیایی و مواد فعال شیمیایی است که باید در فرایندهای تصفیه از آب زدوده شود. یکی دیگر از موادی که در پساب‌های صنعتی فراوان یافت می‌شود مواد نامحلول روغنی شامل روغن‌ها و گریس‌هاست. حضور این مواد فرایند پالایش آب را دچار مشکل می‌کند. یکی از روش‌های اقتصادی برای تصفیه این مواد، استفاده از سیستم‌های ترکیبی میکروفیلتراسیون-نانوفیلتراسیون است. در این سیستم‌ها از میکروفیلتراسیون برای زدودن ذرات معلق مانند روغن‌ها و گریس‌ها و از نانوفیلتراسیون برای حذف پاک‌کننده‌ها استفاده می‌شود.
تصفیه فاضلاب‌ها
محققان دانشگاهUniSA در استرالیا به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه فاضلاب‌ها هستند که بدون استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت، کیفیت آب را بیشتر از روش‌های موجود بهبود می‌بخشد. آخرین مرحله تصفیه آب، حذف موجودات زنده بسیار ریز است. در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفونی‌کننده استفاده می‌شود، ولی در این حالت حتی بعد از تصفیه هم ترکیبات ارگانیک زیادی در آب حضور دارند. کلر موجودات زنده ریز را از آب حذف می‌کند، ولی با آلاینده‌های ارگانیک واکنش داده، محصولات جانبی تجزیه‌ناپذیر و سمی تولید می‌کند که نمی‌توان آنها را از آب حذف کرد. انتقال این مواد به محیط‌زیست و استفاده از آنها در کشاورزی و دیگر صنایع می‌تواند مشکلات بهداشتی جدی ایجاد کند.
تصفیه فاضلاب به کمک نانوکاتالیزور نوری می‌تواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضد عفونی با کلر شود تا موجودات زنده ریز و ترکیبات آلی را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به یک منبع آب مناسب تبدیل کند. به طور طبیعی موجودات زنده ریز، ترکیبات ارگانیک بزرگ را کوچک‌تر می‌کنند؛ اما از آنجا که این ترکیبات به طور زیستی تجزیه ناپذیرند، ما مجبور به استفاده از نوعی انرژی برای تجزیه آنها هستیم. این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید گرفته می‌شود و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
انرژی تولید شده از واکنش سلول کاتالیزوری نوری می‌تواند موجودات زنده ریز را کشته و ترکیبات تجزیه‌ناپذیر را تجزیه کند. این فرایند به دلیل امکان استفاده مجدد از کاتالیزورهای نوری، بسیار مقرون به صرفه است . ذرات کاتالیزوری چه به صورت همگن در محلول پراکنده شده یا روی ساختارهای غشایی رسوب داده شده باشند، می‌توانند ما را از تجزیه شیمیایی آلاینده‌ها مطمئن سازند.
اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود فعالیت کاتالیزوری شناخته شده است و دانشمندان از آن در حذف تری‌کلرواتیلن (TCE) از آب‌های زیرزمینی استفاده کرده‌اند. تحقیقات مرکز فناوری‌نانوی زیست‌محیطی (CBEN) دانشگاه‌ رایس نشان می‌دهد نانوذرات طلا و پالادیم، کاتالیست‌هایی بسیار مؤثر برای حذف آلودگی‌TCE از آب هستند.
مزیت‌های حذف TCE با پالادیم به خوبی مشخص است ولی این روش تا حدودی پرهزینه است. با به کارگیری فناوری‌نانو می‌توان تعداد اتم‌های در تماس با مولکول‌های TCEو در نتیجه کارایی این کاتالیست را چندین برابر کاتالیست‌های رایج افزایش داد. TCE حلال رایج در روغن زدایی از فلزات و قطعات الکترونیکی، یکی از مواد آلی سمی رایج در منابع آب است و در 60 درصد پسماندهای صنعتی به عنوان آلودگی وجود دارد. تماس آن با بدن باعث صدمه زدن به کبد و بروز سرطان می‌شود. کاتالیست‌های شیمیایی نسبت به کاتالیست‌های زیستی بسیار سریع‌تر عمل می‌کنند ولی بسیار گران هستند. یکی از مزیت‌های کاتالیست‌های پالادیم برای تجزیه TCE این است که پالادیم، این ماده را مستقیماً به ماده غیرسمی اتان تبدیل می‌کند. در حالی که کاتالیست‌های رایج مانند آهن، آن را به برخی مواد واسطه سمی مانند وینیل‌کلراید تبدیل می‌کنند.
محققان دانشگاه رایس روش جدیدی را توسعه داده‌اند که طی آن نانوبلورهای تیتانیوم با سطح ویژه بالا (بیش از 250 m2/g برای حذف آروماتیک‌های آلی تولید می‌شوند. این مواد تحت تابش اشعه فرابنفش، قابلیت اکسیداسیون نوری بسیاری از مولکول‌ها را پیدا می‌کنند.
همچنین C60 کاتالیزور نوری بسیار خوبی است که کارایی آن صدها برابر بیش از تیتانیای موجود در بازار است. تولید رادیکال آزاد به وسیله C60 متراکم در آب، امکان تجزیه آلاینده‌ها را فراهم می‌کند
نانو و کاربرد آن در خواص دارویی و درمانی
دکتر مرتضی پیرعلی : فناوری نانو یکی از آخرین دستاوردهای علمی است. طبق بررسی های شورای پژوهش های اجتماعی _ اقتصادی انگلستان، فناوری نانو از جمله موارد رو به گسترش و مورد توجه اجتماعی _ اقتصادی است. بحث هایی کم و بیش در زمینه کاربرد این نوع فناوری چه منتقدانه و یا طرفدارانه وجود دارد. بیشترین اشکالی که منتقدان در این زمینه وارد می کنند، ترس از انباشته شدن کره زمین از وجود موادی است که ممکن است این فناوری در پی داشته باشد و به نوعی خطرناک باشد. اما نقطه نظر طرفداران سرسخت این نوع فناوری بیشتر متوجه تاثیر مثبت آن در ارتقای زندگی، تولیدات جدید و توسعه گرانه و تولید محصولات ارزان تر است.
- فناوری نانو چیست؟ به طور کلی این فناوری عبارت از کاربرد ذرات در ابعاد نانو است. یک نانومتر، یک میلیاردم متر است. از دو مسیر به این ابعاد می توان دسترسی پیدا کرد. یک مسیر دسترسی از بالا به پایین و دیگری طراحی و ساخت از پایین به بالا است. در نوع اول، ساختارهای نانو با کمک ابزار و تجهیزات دقیق از خرد کردن ذرات بزرگ تر حاصل می شوند. در طراحی و ساخت از پایین به بالا که عموما آن را فناوری مولکولی نیز می نامند، تولید ساختارها، اتم به اتم و یا مولکول به مولکول تولید و صورت می گیرند. به عقیده مدیر اجرایی موسسه نانوتکنولوژی انگلستان، فناوری نانو ادامه و گسترش روند مینیاتوریزه کردن است و به این طریق تولید مواد، تجهیزات و سامانه هایی با ابعاد نانو انجام می شود. درحقیقت فناوری نانو به ما امکان ساخت طراحی موادی را می دهند که کاملا دارای خواص و اختصاصات جدید هستند.
به بیان دیگر این نوع فناوری چیزهایی را که در اختیار داریم با خصوصیات جدید در اختیار قرار می دهد و یا آنها را از مسیرهای نوینی می سازد. اما گویا صنایع داروسازی از مدت ها قبل به ساخت ذرات ریز مشغول بوده اند. به نظر پروفسورBuckton، طی سخنرانی که در کنفرانس علوم دارویی انگلستان(BPC)
انجام داد ادعا نمود که فناوری نانو در داروسازی اصطلاح تازه به کار گرفته شده ای برای فناوری تولید ذرات در اندازه میکرونی(particles Micro) است که از سال ها قبل تهیه و ساخته می شده اند. پس چه چیزی در این بین جدید خواهد بود؟ به عقیده مدیر اجرایی موسسه فناوری نانو انگلیس، دستیابی و ساخت دستگاه های آنالیز پیشرفته و ابداع روش های آنالیز نوین سبب می شود تا ما بتوانیم رفتار مواد را به دقت مورد شناسایی قرار دهیم و از این رهگذر بتوانیم آنها را با ظرافت خاصی دستکاری کنیم.
- تغییر در خصوصیات دارویی
کاربرد فناوری نانو در پزشکی تاثیرات مهمی دارد. شرکت Elan یکی از شرکت هایی است که از فناوری نانو در تغییر ذرات دارویی استفاده می کند. این شرکت فرایند آسیاب کردن کریستال های نانو را در اختیار دارد که اجازه می دهد بعد از این پروسس، ذراتی مانند داروی Sirolimns متعلق به شرکت Wyeth که اجبارا می بایست در فرمولاسیون محلول خوراکی به کار برند، بهبود یافته و آن را بتوانند به فرم قرص ارایه نمایند. یعنی با تهیه ذرات نانو فرم محلول این ماده به فرم جامد تبدیل می شوند. داروی Sirolimns به عنوان یک تضعیف کننده سیستم ایمنی همراه سایر فرآورده های دارویی در موارد پیوند اعضا مانند پیوند کلیه به کار می رود. این شرکت مدعی است که با کاهش سایز ذره سرعت انحلال Sirolimns به مقداری که بتواند به فرم قرص ارایه شود افزایش می یابد. از نظر تجاری این نوع فناوری آسیاب نمودن فقط مختص داروهای با حلالیت بسیار ضعیف است، اما به عقیده این شرکت 40 الی 50 درصد فرآورده های جدید (NCE) تقریبا در این رده قرار می گیرد. فناوری نانو همچنین در زمینه داروهای پپتیدی که عمدتا برای محفوظ ماندن از متابولیسم می بایست به فرم تزریقی تجویز شوند به کمک آمده است و شرایطی را می تواند فراهم نماید تا آنها را بتوان از طریق سایر روش های داروسازی ونیز مورد پذیرش بیمار تجویز کرد.
شرکت Xstal Bio که با دانشگاه های Glasgow Strathelyde همکاری می کند، توانسته است کریستال های نوینی بسازد که با ذرات پروتئینی پوشش داده شده اند. مدیر اجرایی شرکت Xstal Bio معتقد است که اغلب شرکت ها، برای تهیه ذرات نانو از مسیر خرد کردن ذرات بزرگ تر به ذرات کوچک تر استفاده می کنند، اما آنها فرایندی را در اختیار دارند که مستقیما ذرات کوچک از آن تهیه می شود، بدون آنکه احتیاج به فرایند زیادتری داشته باشند. این فرمولاسیون انسولین استنشاقی را انجام می دهد. بیماران می توانند به سادگی با اسپری کردن و تنفس آن، پودر خشک انسولین و یا یک پروتئین دیگری را دریافت کنند. برای اینکه این راه تجویز به طور موثر در اختیار باشد، ذرات محتوی آن باید آنقدر ریز باشند تا بتوانند در بخش های عمقی مجاری تنفسی نفوذ کنند والبته آنقدر ریز هم نباشد تامبادا پس از مصرف از دهان و بینی خارج شوند. بنابر این شرکت Xstal Bio مسیر اثباتی خاصی را پشت سر گذرانده است و هم اکنون این فرآورده در بیماران تحت آزمایش است. فناوری نانو در زمینه تشخیص ساده بیماری ها، تصویربرداری ها و برآوردسریع از کارایی مصرف دارو در افراد نیز کاربردهایی دارد. به طور کلی این فناوری در تولید اعضای مصنوعی، کاشت داروها، استفاده از تشخیص های فردی در کنترل آزمایش های درون تنی و تشخیصی و داروسازی نوین کاربرد دارد. درخصوص آخرین مواردی که اشاره شد، یعنی مونیتورینگ تشخیصی و داروسازی، این فناوری قادر است ریز وسیله داروهایی بسازد تا پس از کاشتن آن در بدن و کمک آن، سطح خونی مواد بیولوژیک درون بدن دائما تحت کنترل باشد و در صورت نیاز مقداری دارو آزاد و ارایه شود.
- ژن درمانی
یکی دیگر از کاربردهای فناوری نانو در زمینه دارو رسانی ژن هاست.
Vector های موجود، ویروس های اصلاح شده روی سیستم ایمنی بدن دارای اثراتی هستند، بنابراین تحقیقات روی ساخت، ذرات نانو که قابلیت حمل ژن ها را داشته باشند از موارد مورد نیاز می باشد. سایر روش های آزادسازی و دارو رسانی به منظور افزایش تاثیر دارو و کاهش اثرات جانبی آنها نیز وجود دارند که مورد تحقیق می باشند. به طور مثال کاربرد پوشش هایی که تحت تابش نور فعال می شوند برای کاربرد داروهای خاص در استخوان ها به کار گرفته می شود از این موارد هستند. این نوع داروها عمدتا به علت نوع پوشش دادن آنها، غیرمحلول باقی می مانند و در استخوان ها جذب می شوند. این پوشش ها پس از قرار گرفتن در معرض نور و تابش به فرم محلول درآمده و اجازه می دهند تا دارو به محل اثر خود رسیده و تاثیر نماید. این تحقیقات همچنین بر روی ذرات مغناطیسی که به کمک آن بتوان داروها را به محل اصلی هدایت نمود نیز انجام می شوند. پوشش ذرات غیر نانو با پلیمرهایی نظیر پلی اتیلن گلیکول نیز از مواردی است که به کمک آن داروها را می توان به محل اصلی هدایت نمود. این روش سبب می شود تا اختصاصات دارو تغییر ننماید و دارو از متابولیسم در کبد درامان باقی بماند. این راه دارورسانی نیز به زودی در درمان در دسترس قرار خواهد گرفت. علی رغم آنکه امروزه ممکن است فناوری نانو در مقایسه با علوم رایج و کاربردی بیشتر از یک عبارت باب روز جلب توجه نکند، اما اصلا نباید از توانمندی های آتی آن غفلت کرد.
- تحلیل
مهندسی ذرات و دارو رسانی نوین از مهم ترین فصل های مشترک دارو رسانی با فناوری نانو است، به علت پیشرفت در روندهای ساخت ذرات و فرمولاسیون های دارویی امکان دارو رسانی فرآورده های جدید که عمدتا از نوع پپتیدها و پروتئین ها می باشند امکان پذیر شده است. هم راستای این پیشرفت ها صنعت ساخت پلیمرهای دارویی امکان تهیه حامل های مناسب برای دارو رسانی به محل های اثر مورد نظر را فراهم کرده است. امید است با یک بازنگری کلی پیرامون توانمندی های موجود در مراکز تحقیقاتی داخلی و امکان سنجی برای انجام پروژه های نانو در عرصه دارو رسانی بتوان از ظرفیت های بالقوه در راستای کاربردی نمودن فناوری نانو در دارو رسانی بهره برداری نمود. متقابلا پژوهشگران نیز می بایستی با درک مناسب از موقعیت فراهم شده و توجه صنایع دارویی از این فناوری، خود را به طور علمی و عملی برای ورود در این عرصه مهیا نمایند و با ارایه دستاوردهای قابل کاربرد، حفظ اعتمام متقابل سرمایه گذاران و گسترش روز افزون این رویکرد در بین صنایع دارویی اقدام نمایند.
کاربرد نانوتکنولوژی در ایمنی و بهداشت
نانوتکنولوژی به دلیل خصوصیات منحصر به فردی مانند سایز خیلی کوچک آن و نسبت سطح به جرم زیادش به طور بالقوه ای انسانها را در معرض خطرات جدید و رو به رشد قرار می دهد و افزایش مشکلات بهداشتی به خصوص برای کارگران دارد. (نانوتکنولوژی) تولید کارآمد مواد و دستگاهها و سیستمها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر، و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.
گام اخیر در نانوتکنولوژی توسعه دادن وسایلی است که محققان ایمنی و بهداشت شغلی و قانونگذاران تاکنون در محیط های صنعتی اخیراً از آن غافل بوده اند .
تحقیقات اولیه در مورد اثرات بهداشتی فناوری نانو نشان می دهد که قابلیت ایجاد التهاب ، سرطان ها و و بیماری های شدید ریه را دارد. مقایسات بین نانوتکنولوژی و آزبستوز انجام شده که به طور ویژه ای به بالقوه بودنشان برای دورهای تاخیری طولانی مدت توجه شده است .
به هرحال روش دقیقی که نانوتکنولوژی اثرات بیولوژیکی خود را روی انسان دارد به طور وسیعی ناشناخته است .
قبل از آنکه نیاز به توسعه و ارتقاء استاند ارد ها راهنماها و مقررات مورد ملاحظه قرار گیرد نیاز قابل ملاحظه ای به تحقیق بیشتر در زمینه ی تداخلات ایمنی و بهداشتی این تکنولوژی وجود دارد.
سرمایه گذاری جهانی در زمینه ی تحقیقات نانوتکنولوژی و توسعه ی آن به طور فوق العاده ای افزایش یافته است. سرمایه گذاری اخیر در زمینه ی ارتقاء این صنایع به طور قابل ملاحظه ای مهم تر از هزینه کردن در مورد تحقیق در این زمینه یا خطرات بالقوه ی آن برای انسان هاست .
مثالهای زیادی در مورد نانوتکنولوژی هایی که تاکنون به طور تجاری در دسترس بودند وجود دارد که شامل مواد آرایشی، البسه، مصالح ساختمانی، افزودنی های غذایی، لوازم الکترونیکی و لوازم خانگی می باشند .
قابلیت نانوتکنولوژی به عنوان یک مشکل عمومی روز همانند مواد غذایی تغییر شکل یافته ی ژنتیکی، آزبستوز و تحقیق در زمینه ی سلول های بنیادی در حال افزایش می باشد .
نانوذرات:طبق تعریف جوامع علمی مر تبط با نانو تکنولوژی ،یک نانوذره به ذره ای گفته می شود که ابعادی بین یک تا 100 نانومتر داشته باشد. نانو ذرات از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند. نانو ذرات دوده از سال 1900 در لاستیک ها استفاده می شده است تا آنها را سیاه رنگ جلوه دهد. خرده ذرات نانویی طلا ونقره سالها پیش در قرن دهم به پیگمنت هایی رنگی در شیشه های رنگی افزوده شده است. رنگ به ابعاد این ذرات بستگی دارد. نقره سالهای متمادی به عنوان التیام دهنده استفاده می شده است. شیر از میلیونها ذره با ابعاد نانویی کازئین تشکیل شده است. مولکول های شکر یک نانومتر قطر دارند. متداول ترین وپرکاربردترین آنها نانوذرات سرامیکی هستند. با توجه به تعریف نانوذرات ممکن است این ذهنیت بوجود بیاید که این ذرات با چنین ابعادی در هوا معلق خواهند ماند اما در واقع چنین نیست ونیروهای الکترواستاتیکی بین این ذرات، آنها را درکنار هم قرار می دهد.
خواص نانو ذرات:
با توجه به تعریف نانوذرات، یکی از سوال های مهم در تولید مواد نانو این است که آرایش هندسی وپایداری اتم ها با تغییر اندازه ذرات چه تغییری می کند؟
در تکنولوژی نانو اولین اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است.افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند.این ویژگی واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد علاوه براین افزایش سطح ذرات فشار سطحی را تغییر داده ومنجربه تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود
خواص الکترونیکی وشیمیایی :
در نانو تکنولوژی تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و هندسه ذرات روی خواص الکترونیکی ماده هم تاثیر گذار است وقتی اندازه ذرات کاهش می یابد پیوند های الکتریکی در فلزات ظریف تر می شوند جالب است که بپرسیم در چه اندازه دانه ای یک ذره فلزی شبیه یک توده فلز رفتار می کند؟ آیا این تغییر در خواص به تدریج رخ می دهد یا به طور ناگهانی ؟ پاسخ به این سوالات هم ازنظر آزمایشگاهی وهم تئوری مشکل است.
کمیت الکترونیکی که راحت تر دردسترس می باشد پتانسیل یونیزاسیون است مطالعات نشان داده اند که پتانسیل یونیزاسیون در اندازه دانه های کوچک (ذرات ریزتر) بیشتر است یعنی با افزایش اندازه ذرات پتانسیل یونیزاسیون آنها کاهش می یابد افزایش نسبت سطح به حجم وتغیرات در هندسه وساختار الکترونیکی تاثیر شدیدی روی فعل وانفعالات شیمیایی ماده می گذارد و برای مثال فعالیت ذرات کوچک با تغییر در تعداد اتم ها(ودرنتیجه اندازه ذرات) تغییر می کند .
خواص سطحی
در فن آوری نانو خواص دیگری مثل نسبت سطح به حجم و انرژی پتانسیل در مقیاس نانو به طور چشمگیری افزایش می یابند که در قابلیت های محصولات تاثیر بسزایی دارد.
ویسکوزیته در مقیاس نانو
آب در مقیاس نانو آب روانی نیست که ما در مقیاس های بزرگ استفاده می کنیم. اشیاء کوچک درآب با ماده چسبنده ای مثل عسل یا آب قند احاطه شده اند. خواص سیالات در مقیاس نانو در ویسگوزیته برجسته می گردد حجم سیالی که مسیر مشخص را در زمان تعیین شده طی می کند درست مثل ویسمزیته تغییر می کند اگر این سرعت را با v نشان دهیم اندازه حرکت (حاصل ضرب جرم در سرعت ) را با p نمایش دهیم و A هم مساحت سطح باشد.µ ویسکزیته مایع است هرچه عدد رینولد کوچکتر باشد تاثیر ویسکوزیته بیشتر است بنابراین یک باکنری که یک میلیون بارکوچکتر از یک انسان است باکتری آب را یک میلیون بار از ما ویسکوزتر می بابد[4].
dt/dt ≈ qa2v2= اینرسی نیرو
F= µav نیروی ویسکوزی
Re= qav/µ=Force/F عددرینولد
خواص مغناطیسی
در نانو تکنولوژی پیچیده ترین تاثیر اندازه ذرات تاثیر بر خواص مغناطیسی ماده است. یک ماده توده ای فرومغناطیس با حوزه های مغناطیسی که هر کدام حاوی هزاران اتم هستند، شناخته می شود. در یک حوزه مغناطیسی جهت چرخش الکترون ها یکسان است، اما حوزه های مغناطیسی متفاوت، جهات چرخش متفاوتی دارند. تغییر فاز مغناطیسی وقتی رخ می دهد که یک میدان مغناطیسی بزرگ، تمام حوزه های مغناطیسی را یک جهت کند. به عنوان مثال در مورد نانو ذرات ، حوزه های مغناطیسی مشخصی دیده نمی شود. بنابراین تصور می شود که در این موادسیستم های ساده تری وجود خواهد داشت اما در حقیقت چیزی برعکس این موضوع وجود دارد.ذرات مغناطیسی کوچک و حتی جامدات غیر مغناطیسی با اندازه دانه کوچک ، نوع جدیدی از خواص مغناطیسی را نشان می دهند. این خواص متاثر از خاصیت کوانتومی اندازه ذرات است که برای فهمیدن آن، نیاز به مطالعه بسیار است.اندازه ذرات مورد بحث ما، معمولاً کمتر از اندازه حوزه های مغناطیسی در جامدات است بنابراین یک ذره مثل یک اتم مجزا رفتار می کند که گشتاور مغناطیسی بزرگی دارد.
روش های تولید نانو ذرات:
به طور کلی واکنش های شیمیایی برای تولید مواد می تواند در هریک از حالت های جامد، مایع وگاز صورت گیرد. روش متداول برای تولید مواد در جامد آن است که با خردکردن ذرات ، سطح تماس آنها افزایش یافته ودر ادامه جهت افزایش میزان نفوذ اتم ها ویون ها ، این مخلوط در دماهای بالا بیشتر می شود.
در شیمی اصطلاحاً به موادی که واکنش های شیمیایی با آنها آغاز می شود،واکنشگر و موادی که در طی انجام واکنش واکنشگربه آنها تبدیل می شود ،محصول گویند.واکنشگر ها می تواند جامد،مایع یا گاز باشد.به علاوه واکنشگرها یا خود یک عنصر مستقل هستند یا می توانند به صورت ترکیبات چند جزئی باشند. ترکیبات چند جزیی را معمولاً پیش ساز گویند.
روش های بسیاری برای تولید نانو ذرات یا ذرات نانو ساختار توسعه یافته اند که شامل فرایند های حالت بخار، مایع و جامد است.
کاربرد های نانوذرات:
مصارف روزمره
همانطور که در مطالب پیشین مربوط به (نانو تکنولوژی) بیان شد یکی از خواص مهم نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده ازاین خاصیت می توان کاتالیزورهای قدرتمندی را در ابعاد نانومتری تولید نمود.این نانوکاتالیزورها راندمان واکنش های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانوذرات در تولید مواد دیگر می تواند استحکام آنها را افزایش دهد ویا وزن آنها را کم کندومقاومت شیمیایی وحرارتی آنها را بالا ببرد وواکنش انها را در برابر نور وتشعشعات دیگر تغییر دهد.پس اولین کابردی که برای نانو ذرات می توان متصور شد، استفاده از این مواد در تولید نانوکامپوزیت ها ست. با استفاده از نانو ذرات، نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت.اخیراًدر ساخت شیشه های ضدآفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارایی این نوع شیشه ها عمر آنها را نیز چندین برابر نموده است از نانو ذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها، رنگها، لایه های محافظتی جدید وبسیار مقاوم برای شیشه ها وعینک ها(ضدجوش ونشکن) کاشی ها ودر ضد نوشته برای دیوار ها وپوشش های سرامیکی برای افزایش استجکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.قبلاً بحث شد که با کوچک شدن ذرات خواص کلی آنها تغییر می کند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می رسد یکی از خواصی که تحت تاثیر این کوچک شدن اندازه قرار می گیرد تاثیر پذیری از نور وامواج الکترومغناطیسی است با توجه به این موضوع اخیراً چسب هایی از نانو ذرات تولید شده اند که کاربرد های مهمی در اپتوالکتریک وصنایع الکترونیکی دارند ورود نانو ذرات به رنگها یا مواد ساختمانی وزن را کاهش می دهند ودر استفاده از رنگ در هواپیما مصرف سوخت را کاهش می دهد.نانو ذرات نانویی محیط را پاک تر نگه می دارند استفاده از ابزاری که می تواند وضعیت قلب را نشان دهد نانوذرات اکسید تیتانیوم (بی رنگ ) می تواند در کرم های ضد اشعه UV بکار رود.ذراتی مشابه در شیشه آب را دفع می کند و نور خورشید را به کار می برد تا آلودگی را ازبین برد(شیشه های تمیز کننده) در حال حاضر شرکت های زیادی نانو ذرات را به شکل پودر، اسپری وپوشش تولید می کنند که کاربرد های زیادی در قسمت های مختلف اتومومبیل ، راکت های تنیس، عینک های آفتابی ضدخش، پارچه های ضد لک، پنجره های خود تمیز کن وصفحات خورشیدی دارند.
ایمنی و بهداشت
اثرات سمیت و بیولوژیکی:
اطلاعات کمی در مورد اثرات سم شناسی و بیولوژیکی نانوتکنولوژی مخصوصاً شک و شبهاتی در رابطه با راههای بالقوه ی تماس و جابجایی مواد نانو در دفعه ی اول ورود آنها به بدن و پاسخ بدن به مواد نانو وجود دارد. انواع بسیار مختلف ذرات نانو و خصوصیات مختلفشان دسترسی کلی به اثرات سم شناسی آنها را در این مرحله غیر ممکن ساخته است.
مشخص نیست که چگونه خصوصیات مختلف ذرات مثل سطح ناحیه ای، حلالیت، شکل وسطح شیمیایی سمیت ذرات را تحت الشعاع قرار می دهند.
به هر حال یافته های بسیار رایجی هستند که نشان می دهند سایز ذره،سطح ناحیه ای و سطح شیمیایی به عنوان فاکتورهای کلیدی در ایجاد اثرات بهداشتی سوء می باشند.
به دلیل سایز کوچک استثنایی که ذرات نانو دارند قادرند مکانیسم های دفاعی بدن را مسدود کرده و تشکیل ذراتی با سایز بزرگتر بدهد ذرات نانو در مقایسه با ذرات بزرگتر نسبت سطح به جرم بسیار بزرگتری دارند که ممکن است ذرات را قادر به نفوذ به درون سلولهای بدن و تشکیل ساختارهایی متفاوت ودر مقیاسی بزرگتر از آنها بدهد. تماس با ترکیبات نانو به احتمال زیاد از طریق استنشاق انجام می شود اما ممکن است از طریق پوست یا گوارش نیز انجام شود.
مطالعات زیادی نشان داده است که ذرات نانو قادرند از ریه ها به داخل جریان خون عبورکرده و در سایر ارگانهای بدن انتشار یابند مطالعات روی چندین نوع از حیوانات حاکی از آن است که تماس با ترکیبات نانو ممکن است باعث تغیرات پاتولوژیکی ریه از جمله سر طانها، التهاب، فیبروز و مشکلات تنفسی شود.
زمانی که مطالعات روی جوندگان یا کشت سلولی اثرات بهداشتی ناشی از استفاده و یا تماس با ذرات نانو را نشان دهد، که مستقیماً قادر نیستیم این تستها را با خطر تماس شغلی یا به انسان ارتباط بدهیم.
تحقیق بیشتری برای اثرات مزمن بهداشتی ناشی از ذرات نانو لازم شده است .تماس با سطوح پایین برای به دست آوردن اطلاعاتی برای پروسه ی ارزیابی ریسک مفیدترند.
خطر انفجار:
علاوه بر کنترل تماس ذرات نانو با گارگران در محیط کار، خطر دیگری که مورد توجه است خطر ناشی از حریق یا انفجار به دلیل فعالیت کاتالیستی بسیاری از مواد نانو می باشد.
تا کنون کنترل خطرات انفجار یا حریق ثبت نشده است. بعنوان یک پیش احتیاط کنترلهایی را باید در محیط کار به کاربرد که مشابه آن برای مواد مشابه در سطح ماکرو استفاده خواهد شد.
تماس شغلی :
این موضوع حائز اهمیت است که بدانیم و قادر به ارزیابی تماس به منظور ارزیابی اینکه آیا مواد نانو به عنوان یک خطر ایمنی و بهداشت شغلی مطرح هستند.
فعالیت هایی که مواد نانو را در فاز گازی تولید می کنند یا استفاده یا تولید مواد نانو نانو به فرم پودرها یا محلولها را دارند در معرض بزرگترین خطر تماس شغلی با ذرات نانو می باشند.
اگرچه تولید ذرات نانو به طور خاصی در سیستم های بسته انجام می شود، باز خطر تماس به آنها به انواع کنترل های موجود در محل بستگی دارد. بسیاری از روشهای محیط کار که ممکن است منجربه تماس با نانو ها شوند شامل کار با مواد نانو به صورت مایع بدون حفاظت کافی و نظافت سیستمهای جمع آوری گردوغبارهایی که برای گیرانداختن ذرات نانو استفاده می شود. افرادی که به تجارت مواد نانو مشغولند و فعالیت های کاری که ریسک بالایی از تماس با ذرات نانو دارند شامل حمل ونقل، نظافت، نگهداری روتین وسایل، مرتب کردن، ذخیره داخل مخازن وتوزیع کننده ها، به علاوه استفاده توسط مصرف کنندگان نهایی برای اهداف صنعتی.
نتیجه گیری:
تحقیق اولیه در مورد مفاهیم و معانی ایمنی و بهداشت شغلی نانوتکنولوژی نشان می دهد که این تکنولوژی نیازمند توجه و تحقیق بیشتری می باشد بویژه وجود نانوذرات در آلاینده های هوای محیط کار که می تواند سلامتی کارگران را تحت اشعاع قرار دهد.
کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت نفت
فناوری نانو می¬تواند اثرات قابل توجهی در صنعت نفت داشته باشد، در مطلب زیر بعد از اشاره به برخی از این تأثیرات، تعدادی از کاربردهای فناوری نانو در صنعت نفت بویژه در بحث آلودگی محیط زیست و نیز سنسورهای نانو به طور مختصر معرفی گردیده است:
مقدمه هنگامی که ریچارد اسملی ( Richard Smally ) برندة جایزة نوبل، بالک مینسترفلورسنس را در سال 1985 در دانشگاه رایس کشف نمود،‌ انتظار اندکی داشت که تحقیق او بتواند صنعت نفت را متأثر سازد. سازمان انرژی آمریکا ( DOE ) سرمایه‌گذاری خود را در قسمت فناوری نانو با 62 درصد افزایش داد تا مطالعات لازم در زمینة‌ موادی با نام‌های باکی‌بال‌ها ( Bulky Balls ) و باکی‌تیوب‌ها ( Bulky Tubes ) استوانه‌های کربنی که دارای قطر متر می‌باشند صورت گیرد. نانولوله‌های کربنی با وزنی در حدود وزن فولاد، صد برابر مستحکم ¬ تر از آن بوده، دارای رسانش الکتریکی معادل با مس و رسانی گرمایی هم ارز با الماس می‌باشند. نانوفیلترها می‌توانند به جداسازی مواد در میدان‌های نفتی کمک کنند و کاتالیست‌های نانو می‌توانند تأثیر چندین میلیارد دلاری در فرآیند پالایش به‌دنبال داشته باشند. از سایر مزایای نانولوله‌های کربنی می‌توان به کاربرد آن‌ها در تکنولوژی اطلاعات ( IT ) نظیر ساخت پوشش‌های مقاوم در مقابل تداخل‌های الکترومغناطیسی، صفحه‌های نمایش مسطح، مواد مرکب جدید و تجهیزات الکترونیکی با کارآیی زیاد اشاره نمود.
علم نانو یک تحول بزرگ در مقیاس بسیار کوچک
بسیاری از محققان و سیاستمداران جهان معتقدند که علم نانو می‌تواند تحولات اساسی در صنعت جهانی ایجاد نماید صنعت نفت نیز از پیشرفت این تکنولوژی بهره‌مند خواهد گشت.
علم نانو می‌تواند به بهبود تولید نفت و گاز با تسهیل جدایش نفت وگاز در داخل مخزن کمک نماید. این کار با درک بهتر فرآیندها در سطوح مولکولی امکانپذیر می‌باشد.
با توجه به اینکه نانو مربوط به ابعادی در حدود متر می‌باشد، نانوتکنولوژی به مفهوم ساخت مواد و ساختارهای جدید توسط مولکول‌ها و اتم‌ها در این مقیاس می‌باشد.
خوشبختانه کاربردهای عملی نانو در صنعت نفت جایگاه‌ ویژه‌ای دارند. نانوتکنولوژی دیدگاه‌های جدید جهت استخراج بهبودیافتة نفت فراهم کرده است. این تکنولوژی به جدایش موثرتر نفت و آب کمک می‌کند . با افزودن موادی در مقیاس نانو به مخزن می‌توان نفت بیشتری آزاد نمود. همچنین می‌توان با گسترش تکنیک‌های اندازه‌گیری توسط سنسورهای کوچک،‌ اطلاعات بهتری دربارة مخزن بدست آورد.
مواد نانو صنعت نفت تقریباً در تمام فرآیندها احتیاج به موادی مستحکم و مطمئن دارد. با ساخت موادی در مقیاس نانو می‌توان تجهیزاتی سبکتر، مقاومتر و محکم‌تر از محصولات امروزی تولید نمود. شرکت نانوتکنولوژی GP در هنگ‌کنگ یکی از پیشگامان توسعة کربید سیلیکون، یک پودر سرامیکی در ابعاد نانو می‌باشد.
با استفاده از این پودرها می‌توان مواد بسیار سختی تولید نمود. این شرکت در حال حاضر مشغول مطالعه و تحقیق بر روی سایر مواد مرکب می‌باشد و معتقد است که می‌توان با نانوکریستال‌ها تجهیزات حفاری بادوامتر و مستحکم‌تری تولید کرد. همچنین متخصصان این شرکت یک سیال جدید حاوی ذرات و نانوپودرهای بسیار ریز تولید نموده‌اند که به‌طور قابل توجهی سرعت حفاری را بهبود می‌بخشد. این مخلوط آسیب‌های وارده به دیوارة مخزن در چاه را حذف نموده و قابلیت استخراج نفت را افزایش می‌بخشد.
آلودگی آلودگی توسط مواد شیمیایی و یا گازهای آلاینده یک مبحث بسیار دشوار در تولید نفت و گاز می‌باشد. نتایج بدست‌آمده از تحقیقات دانشمندان حاکی از آن است که نانوتکنولوژی می‌تواند تا حد مطلوبی به کاهش آلودگی کمک کند. در حال حاضر فیلترها و ذراتی با ساختار نانو در حال توسعه می‌باشند که می‌توانند ترکیبات آلی را از بخار نفت جدا سازند. این نمونه‌ها علیرغم اینکه اندازه‌ای در حدود چند نانومتر دارند، دارای سطح بیرونی وسیعی بوده و قادر به کنترل نوع سیال گذرنده از خود می‌باشند. همچنین کاتالیست‌هایی با ساختار نانو جهت تسهیل در جداسازی سولفید هیدروژن، آب، مونوکسیدکربن، و دی‌اکسید کربن از گاز‌طبیعی در صنعت نفت بکار گرفته می‌شوند. در حال حاضر مطالعاتی بر روی نمونه‌هایی از خاک رس در ابعاد نانو و جهت ترکیب با پلیمرهایی صورت می‌پذیرد که بتوانند هیدروکربن‌ها را جذب نمایند. بنابراین می‌توان باقیمانده‌های نفت را از گل حفاری جدا نمود.
سنسورهای هیدروژن خود تمیز کننده
خواص فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا در مقایسه با هر فرمی از تیتانیا بارزتر می‌باشد، بطوری‌که آلودگی‌های ایجادشده تحت تابش اشعة ماوراء بنفش به‌طور قابل توجهی از بین می‌روند. تا اینکه سنسورها بتوانند حساسیت اصلی خود نسبت به هیدروژن را حفظ نماید. تحقیقات انجام‌گرفته در این زمینه حاکی از آن است که نانوتیوب‌های تیتانیا دارای یک مقاومت الکتریکی برگشت‌پذیر می‌باشند، بطوری‌که اگر هزار قطعه از آن‌ها در مقابل یک میلیون‌ اتم هیدروژن قرار بگیرند، مقاومت الکتریکی آن در حدود یکصد میلیون درصد افزایش می‌یابد.
سنسورهای هیدروژن بطور گسترده‌ای در صنایع شیمیایی، نفت و نیمه‌رساناها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنها جهت شناسایی انواع خاصی از باکتری‌های عفونت‌زا استفاده می‌گردد. به‌ هر حال محیط‌هایی نظیر تأسیسات و پالایشگاه‌های نفتی که سنسورهای هیدروژن از کاربردهای ویژه‌ای برخوردار می‌باشند، می‌توانند بسیار آلوده و کثیف باشند این سنسورهای هیدروژن نانوتیوب‌های تیتانیا هستند که توسط یک لایة غیرپیوسته‌ای از پالادیم پوشانده شده‌اند. محققان این سنسورها را به مواد مختلفی نظیر اسید استریک ( یک نوع اسید چرب )‌، دود سیگار و روغن‌های مختلفی آلوده نمودند و سپس مشاهده کردند که تمام این آلوده‌کننده‌ها در اثر خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌ها از بین می‌روند. حد نهایی آلودگی‌ها زمانی بود که دانشمندان این سنسورها را در روغن‌های مختلفی غوطه‌ور ساخته و سنسورها توانستند خواص خود را بازیابند. محققان سنسورها را در دمای اتاق به مقدار هزار قطعه در مقابل یک میلیون ‌اتم هیدروژن در معرض این گاز قرار دادند و مشاهده نمودند که در طرح‌های اولیة سنسور مقاومت الکتریکی آن به میزان 175000 درصد تغییر می‌کند. سپس سنسورها را توسط لایه‌ای به ضخامت چندین میکرون از روغن موتور پوشاندند تا بطور کلی حساسیت آن‌ها نسبت به هیدروژن از بین برود. سپس این سنسورها را در هوای عادی به ‌مدت 10 ساعت در معرض نور ماوراء بنفش قرار دادند و پس از یک ساعت مشاهده نمودند که سنسورها مقدار قابل توجهی از حساسیت خود را بدست آورده‌ و پس از گذشت 10 ساعت تقریباً بطور کامل به وضعیت عادی خود بازگشتند.
علیرغم قابلیت بازگشتی بسیار مناسب این سنسورها نمی‌توانند پس از آلودگی به انواع خاصی از آلوده‌کننده‌ها حساسیت خود را باز یابند برای مثال روغن WQ -40 به علت دارابودن مقداری نمک خاصیت فوتوکاتالسیتی نانوتیوب‌ها را تا حد زیادی از بین می‌برد.
با افزودن مقدار اندکی از فلزات مختلف نظیر قلع، طلا، نقره، مس و نایوبیم، یک گروه متنوعی از سنسورهای شیمیایی بدست می‌آیند. این فلزات خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا را تغییر می‌دهند. به هر حال سنسورها در یک محیط غیرقابل کنترل در دنیای واقعی توسط مواد گوناگونی نظیر بخار‌های آلی فرار، دودة کربن و بخارهای نفت و همچنین گرد و غبار آلوده می‌گردند. قابلیت خودپاک‌کنندگی این سنسورها طول عمر آن‌ها را افزایش و از همه مهمتر خطای آنها را کاهش می‌دهد.
سنسورهای جدید در خدمت بهبود استخراج نفت
براساس آخرین اطلاعات چاپ شده توسط سازمان انرژی آمریکا، استخراج نفت در حدود دو سوم از چاه‌های نفت آمریکا اقتصادی نمی‌باشد. با توجه به دما و فشار زیاد در محیط‌های سخت زیرزمینی، سنسورهای قدیمی الکتریکی و الکترونیکی و سایر لوازم اندازه‌گیری قابل اعتماد نمی‌باشند و در نتیجه شرکت‌های استخراج‌ کنندة‌ نفت در تهیة ‌اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج کامل و مؤثر نفت از مخازن با برخی مشکلات مواجه می‌باشند.
در حال حاضر محققان در آزمایشگاه فوتونیک دانشگاه صنعتی ویرجینیا در حال توسعة یک‌سری سنسورهای قابل اعتماد و ارزان از فیبرهای نوری جهت اندازه‌گیری فشار، دما، جریان نفت و امواج آکوستیک در چاه‌های نفت می‌باشند. این سنسورها به‌علت مزایایی نظیر اندازة کوچک ،‌ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی ، قابلیت کارآیی در فشار و دمای بالا و همچنین محیط‌های دشوار، مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند. از همه مهم‌تر اینکه امکان جایگزینی و تعویض این سنسورها بدون دخالت در فرآیند تولید نفت و باهزینة‌ مناسب فراهم می‌باشد. در حال حاضر عمل جایگزینی و تعویض سنسورهای قدیمی در چاه‌های نفت میلیون‌ها دلار هزینه در پی دارد. سنسورهای جدید از نظر تولید بسیار مقرون ‌به صرفه بوده و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری ارائه می‌دهند.
انتظار می‌رود که تکنولوژی این سنسورها تولید نفت را با ارائه اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اعتماد و کاهش ریسک‌های همراه با اکتشاف و حفاری نفت بهبود بخشد. همچنین سنسورهای جدید به‌علت برخی کاربردهای ویژه نظیر استخراج دریایی و افقی نفت، جایی که بکاربستن سنسورهای قدیمی در چنین شرایطی بسیار مشکل می‌باشد، از توجه ویژه‌ای برخوردارند.
(نانو تکنولوژی) تبدیل نفت خام و نفت سنگین به نفت سبک
شاید زمانی که از (نانو تکنولوژی) به عنوان یک تکنولوژی نوین نام برده می شد که می تواند راه حل های جدیدی برای مسائل علوم مختلف ارائه نماید، نمی توانستیم به روشنی این مفهوم را درک نماییم. اکثرآ افراد جامعه (نانو تکنولوژی) را ساختن اشیاء در ابعاد کوچکتر می دانستند اما اکنون بعد از گذشت چند سال مفهوم نانو برای افراد ملموس تر خواهد بود. اینکه می توانیم توسط تکنولوژی نانو بسیاری از مشکلات روزمره بشر را حل کنیم.
امروز باعث افتخار من است که بالاخره سرمایه گذاری ایران در نانو تکنولوژی و پیشگامی دولت ایران در حمایت از دوستداران پیشرفت و اندیشمندان ایران زمین نتیجه داد و محققان ایرانی توانستند گامی بزرگ را در صنایع نفت بردارند.
مهندس سید جواد احمد پناه مدیر پروژه هیدروکانورژن های پژوهشگاه صنعت نفت توانست «فرآیند صنعتی هیدروکانورژن» را بصورت بین المللی به ثبت برساند. توسط این فرآیند می توان نفت خام و ته مانده های نفت سنگین را به نفت سبک تبدیل نمود. به بیان ساده تر اینک با هزینه 2 دلار در هر بشکه می توان یک بشکه نفت 30 دلاری را به یک بشکه نفت 60 دلاری تبدیل نمود. این فرآیند یک انقلاب در صنعت نفت به شمار می رود که با افتخار می توان آنرا حاصل زحمات چندین مهندس ایرانی دانست. حال اینکه این موضوع چه ارتباطی با (نانو تکنولوژی) دارد را در ادامه توضیح خواهیم داد.
بهتر است ابتدا مروری کوتاه داشته باشیم بر فرآیند پالایش نفت و سپس به فرآیند جدیدی که توسط نانو تکنولوژی صورت پذیرفته است خواهیم پرداخت.
پالایش نفتفرآیند پالایش نفت:
1. تفکیک
2. فرآیند های تبدیلی. این فرآیند ها اندازه و ساختار مولکولی هیدرو کربن ها را تغییر میدهند.
¬الف. تجزیه (تقسیم)
ب. همسان‌سازی (ترکیب)
ج. جایگزینی (نو آرائی)

3. فرآیند های عمل آوری
4. تنظیم و اختلاط
همانطور که می بینید تجزیه یکی از قسمت های فرآیند های تبدیلی است. هیدروکراکینگ، شکست کاتالیستی و شکست گرمایی کارهایی هستند که در مرحله تجزیه صورت می پذیرند.
هیدروکراکینگ یک فرآیند دو مرحله‌ای شامل کراکینگ کاتالیستی و هیدروژنا‌سیون می‌باشد که در طی این مراحل خوراک ورودی، در حضور هیدروژن به محصولات با ارزش افزودة بیشتر شکسته می‌شود. این فرایند در فشار و دمای بالا و با حضور کاتالیست و هیدروژن انجام می‌شود.
هیدروکراکینگ برای خوراک‌هایی مورد استفاده واقع می‌شود که فرایندهای کراکینگ کاتالیستی یا تبدیل کاتالیستی در مورد آن‌ها به سختی انجام می‌گیرد مانند نفت خامی که غنی از آروماتیک‌های پلی‌سیکلیک بوده یا حاوی غلظت‌های بالای ترکیبات گوگرد و نیتروژن که مسموم‌کننده کاتالیست‌ها هستند، میباشد.
پیش تر در وب سایت ستاد نانو تکنولوژی ایران خوانده بودم که در هیدروکراکینگ بطور معمول از کاتالیست‌های آلومینا، زئولیت‌ها و پلاتین استفاده می‌شود، اما به تازگی آقای فوکویاما برای هیدروکراکینگ یک کاتالیست تازه اختراع نموده است (پلاتین- نیکل- مولیبدن روی پایه زئولیتی) که در هیدرو کراکینگ نفت های سنگین مورد استفاده قرار می گیرد.

به نظر می رسد که هیدروکانورژن (هیدروژناسیون+ کراکینگ) کاتالیستی، یک فرآیندی شکست کاتالیستی است که در آن از یک نانو کاتالیست خاص استفاده می شود که باعث تصحیح فرآیند هیدروکراکینگ معمولی می شود.
مزایای هیدروکانورژن1. درصد تبدیل بالا (90 درصد)
2. تشکیل نشدن کک
3. کاهش حداقل 60 درصد از گوگرد
4. قابلیت بازیابی کاتالیست تا 95 درصد
5. حذف واکنش های پلیمریزاسیون
6. سادگی عملیات نسبت به روش های مشابه
7. انعطاف پذیری بالا نسبت به شدت جریان و ترکیبات فلزات و گوگرد
8. تولید بخار مورد نیاز واحد از بخش بازیابی کاتالیست
9. ضریب بالای بازدهی سرمایه و هزینه پایین کاتالیست
10. تمیزی واکش از نظر زیست محیطی در مقایسه با روش های مشابه
به نظر می رسد که این طرح با توجه به ویژگی های منحصر به فردی که در بالا بیان شد، می تواند از ارزش افزوده بالایی برخوردار باشد. با یک حساب سر انگشتی اگر روزانه 10000 بشکه نفت سنگین 30 دلاری را با هزینه 2 دلار برای هر بشکه، به بشکه ای 60 دلار تبدیل کنیم ارزش افزوده ای معادل روزانه 280000 دلار خواهیم داشت که بسیار جالب توجه خواهد بود و اقتصادی بودن طرح به جرأت قابل دفاع و تحسین می باشد.
به نظر می رسد که محققان ایرانی پاسخ مناسبی به سرمایه گذاری دولت در بخش نانو تکنولوژی داده اند و رسیدن به اهدف برنامه دولت جمهوری اسلامی ایران که همانا قرار گرفتن کشور ایران در میان 15 کشور برتر دنیا در زمینه نانو تکنولوژی است روز به روز به واقعیت نزدیک می شود. همانطور که پیشتر گفته شده است:
«نانو تکنولوژی» تمام آینده است.
منابع :
http://www.nanotechnology.blogfa.com/
http://nano.ir/
Physicsir.com
irannano.org
http://www.irche.com/
http://www.iee.org