خصوصیت های اورانیوم

خصوصیت های اورانیوم

اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقره ای فلزی با خاصیت رادیو اکتیوی ضعیف میباشد که کمی از فولادنرم تر است. این فلز چکش خاررسانای جریان الکتریسیته و کمی Paramagnetic میباشد. چگالی اورانیوم ۶۵% بیشتر از چگالی سرب میباشد. اگر اورانیوم به خوبی جدا شود بشدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید میشود. اورانیوم استخراج شده از معادن میتواند به صورت شیمیایی به دی اکسید اورانیوم و دیگر گونه های قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.
اورانیوم در صنعت سه گونه دارد:ـ آلفا (Orthohombic) که تا دمای ۶۶۷.۷ درجه پایدار است.
ـ بتا (Tetragonal) که از دمای ۶۶۷.۷ تا ۷۷۴.۸ درجه پایدار است.
ـ گاما (Body-centered cubic) که از دمای ۷۷۴.۸ درجه تا نقطه ذوب پایدار است. ( این رساناترین و چکش خوارترین گونه اورانیوم میباشد.)
دو ایزوتوپ مهم آن U۲۳۵ و U۲۳۸ میباشند که u۲۳۵ مهمترین برای راکتورها و سلاحهای هسته ای است. چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که در طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته میشود. ایزوتوپ u۲۳۸ نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیو اکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ Pu۲۳۹ پلوتونیوم تجزیه میکند. ایزوتوپ مصنوعی U۲۳۳ نیز شکافته شده و توسط بمباران نوترونی Thorium۲۳۲ بوجود میآید.
اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که میتوانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ U۲۳۵ آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U۲۳۶ تبدیل شده و بلا فاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم میشود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید میکند.
اگر این نوترونها توسط هسته u۲۳۵ دیگری جذب شوند عملکرد حلقه هسته ای دوباره اتفاق می افتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد به حالت انفجاری در می آیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد (شکاف هسته ای) نام دقیقتر برای این بمبها و بمب های هیدروژنی(آمیزش هسته ای) سلاحهای هسته ای میباشد.

کاربردها:

فلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی میباشد.اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده میشود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنی شده برای سوخت ناوگان خود و زیردریایی ها و همچنین سلاحهای هسته ای استفاده میکنند. سوخت استفاده شده در راکتورهای ناوگان ایالات متحده معمولا اورانیوم U۲۳۵ غنی شده میباشد. اورانیوم موجود در سلاحهای هسته ای بشدت غنی میشوند که این مقدار بصورت تقریبی ۹۰% میباشد.
مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هسته ای است که در آنها سوخت U۲۳۵ به میزان ۲الی۳% غنی میشود. اورانیوم تخلیه شده در هلیکوپترها و هواپیماها به عنوان وزن متقابل بر هر بار استفاده میشود.
دیگر کاربردهای این عنصر عبارتند از :ـ لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است (که داخل فرایند غنی سازی نمیشود) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ به آن اضافه میشود.
ـ نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب میسازد.
ـ U۲۳۵ در راکتورهای هسته ای Breeder به پلوتونیوم تبدیل میشود. و پلوتونیوم نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی مورد استفاده قرار میگیرد.
ـ استات اورانیوم در شیمی تحلیلی کاربرد دارد.
ـ برخی از لوازم نوردهنده از اورانیوم و برخی در مواد شیمیایی عکاسی مانند نیترات اورانیوم استفاده میکنند.
معمولا کودهای فسفاتی حاوی مقدار زیادی اورانیوم طبیعی میباشند. چراکه مواد کانی که آنها از آنجا گرفته شده اند حاوی مقدار زیادی اورانیوم میباشند.
ازفلز اورانیوم برای اهداف اشعه ایکس در ساخت این اشعه با انرژی بالا استفاده میشود.
ازاین عنصر در وسایل Interial Guidance و Gyro Compass استفاده میشود.

تاریخچه:

استفاده از اورانیوم به شکل اکسیدطبیعی آن به سال ۷۹ میلادی بر می گردد یعنی زمانی که این عنصر برای اضافه کردن رنگ زرد به سفال لعابدار استفاده شد (شیشه زرد با یک در صد اورانیوم در نزدیکی ناپل ایتالیا کشف شده است.(
کشف این عنصر به شیمیدان آلمانی به نام مارتین هنریچ کلاپرس اختصاص داده شد که در سال ۱۷۸۹ اورانیوم را به صورت قسمتی از کانی که آن را pitchblende نامید کشف شد. نام این عنصر بر اساس سیاره اورانوس که هشت سال قبل از آن کشف شده بود برگزیده شد .این عنصر در سال ۱۸۴۱ به صورت فلز جداگانه توسط eugne melchior peligot استفاده شد.
در سال ۱۸۹۶ Henri Becquerel فیزیکدان فرانسوی برای اولین بار به خاصیت رادیو اکتیویته آن پی برد.
در پروژه Manhattan نامهای Tuballoy و Oralloy برای اورانیوم طبیعی و اورانیوم غنی شده بکار برده شد. این اسامی هنوز نیز برای اورانیوم غنی شده و اورانیوم طبیعی بکار برده میشوند.
در آغاز قرن بیستم تفحص و جستجو برای یافتن معادن رادیو اکتیو در ایالات متحده آغاز شد. منابع رادیوم که حاوی کانی های اورانیوم نیز بودند برای استفاده آنها در رنگ ساعت های شب نما و دیگر ابزار جستجو شدند. در طی جنگ جهانی دوم اورانیوم از نظر اهداف دفاعی اهمیت پیدا کرد. در سال ۱۹۴۳ Union Mines Development Corporation کنگره ای را در کلرادو به منظور استفاده ارتش از قدرت اتمی در پروژه Manhattan تشکیل داد.
در دهه ۱۹۶۰ ملزومات ارتش تزلزل یافت و در اواخر سال ۱۹۷۰دولت برنامه تهیه اورانیوم خود را کامل کرد. همزمان با همین مساله بازار دیگری بوجود آمد که درواقع همان کارخانه های نیروگاه های هسته ای اقتصادی بود.
ترکیبات:تترا فلوروئید اورانیوم UF۴که به نمک سبز معروف است یک محصول میانی هگزافلورید اورانیوم میباشد. هگزا فلورید اورانیوم UF۶ جامد است که در دمای بالای ۵۶ درجه سانتیگراد بخار میشود. UF۶ ترکیب اورانیوم است که برای دو فرایند غنی سازی Gaseous Diffusion و Centrifuge استفاده میشود. و در صنعت با نام ساده Hex خوانده میشود.
Yellowcake اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید میباشد اگرچه تولید امروزه Yellowcake بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه میگراید تا زرد. Yellowcake تقریبا ۷۰ تا ۹۰ درصد اکسید اورانیوم دارد. (U۳O۸)
Diuranate آمونیوم محصول جنبی تولید Yellowcake میباشد که رنگ آن زرد درخشان میباشد. که گاهی اوقات باعث اشتباه شده و Yellowcake نامیده میشود اما این نام درست این محصول نمیباشد.

پیدایش:

اورانیوم عنصر طبیعی است که تقریبا در تمام سنگها آب و خاک به میزان کم یافت میشود. و بنظر می رسد که مقدار آن از Antimony، برلیوم، کادمیوم، جیوه، طلا، نقره و تنگستن بیشتر باشد و این فراوانی در حد آرسنیک و مولیبدنیوم است. این عنصر در بیشترکانی های اورانیومی از قبیل Pitchblende،Uraninite ،Autunite,، Uranophane, tobernite و Coffinite یافت میشود.
مقدار بیشتری از اورانیوم در موادی از قبیل صخره های فسفاتی و کانیهای مانند Lignite و Monazite یافت میشود. که بیشتر برای مصارف اقتصادی از همین منابع استخراج می شود. از آنجا که اورانیوم نیمه عمر رادیو اکتیوی طولانی ۴.۴۷x۱۰۹ سال برای U-۲۳۸ دارد مقدار آن همیشه در زمین ثابت میماند.
بنظر میرسد که فرو پاشی اورانیوم و واکنشهای هسته ای آن با توریوم همان منبع گرمایی عظیمی است که در هسته زمین، باعث ذوب شدن قسمت خارجی هسته زمین گردیده و باعث ایجاد حرکت پوسته ای زمین می شود.
معدن اورانیوم صخره ای است که تمرکزهای اورانیومی میباشد که مقدار اقتصادی آن یک تا چهار پوند اکسید اورانیوم در هر تن میباشد که تقریبا ۰.۰۵ تا ۰.۲۰ درصد اکسید اورانیوم دارد.

تولید و توزیع:

اورانیوم اقتصادی از طریق تقلیل هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی تولید می شود. همچنین فلز اورانیوم می تواند از طریق عمل الکترولیز ۵KUF یا Uf۴ که در CaCl۲ و NaCl حل شده است بدست آید. اورانیوم خالص نیز از طریق تجزیه حرارتی هالیدهای اورانیوم حاصل میشود.
در سال ۲۰۰۱ مالکان راکتورهای هسته ای غیر نظامی آمریکا از این کشور و منابع خارجی ۲۱۳۰۰ تن اورانیوم خریداری کردند. قیمت پرداخت شده برای هر کیلوگرم اورانیوم حدودا ۲۶.۳۹ دلار بود که در مقایسه با سال ۱۹۹۸ ۱۶% کاهش داشت. در سال ۲۰۰۱ ایالات متحده ۱۰۱۸ تن اورانیوم از ۷ عملیات معدنی در غرب رود میسیسیپی تولید کرد.
اورانیوم بیشتر توسط فرانسوی ها در کشورهای جهان توزیع شده است.
معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید میکنند. چراکه گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا ۳۰% ذخایر دنیا را شامل میشود.

ایزوتوپها:

اورانیوم طبیعی از ۳ ایزوتوپ U-۲۳۸, U-۲۳۵, U-۲۳۴ تشکیل شده است که U-۲۳۸ فراوان ترین آنها (۹۹.۳%) میباشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر آنها عبارت است از U-۲۳۵ ۴.۵x۱۰۹ سال که پایدارترین آنها میباشد. U-۲۳۵ ۷x۱۰۸ سال و U۲۳۴ ۲.۵x۱۰۵ سال.
ایزوتوپهای اورانیوم میتوانند از هم جدا شوند تا تمرکز یک ایزوتوپ بر دیگری را افزایش دهند. این فرایند "غنی سازی" نام دارد. وزن U-۲۳۵ برای غنی شدن باید۰.۷۱۱ درصد افزایش یابد.اورانیوم ۲۳۵ برای استفاده در سلاحهای هسته ای و نیروگاه های اتمی مناسب تر است. این فرایند مقادیر بسیاری اورانیوم بوجود می آورد که در U-۲۳۵ تخلیه میشوند و خالصترین اورانیوم یعنی U۲۳۸ اورانیوم خالی یا DU نام دارد. اگر ایزوتوپ ۲۳۵ بخواهد تخلیه شود باید وزنش ۰.۷۱۱ درصد کم شود.

هشدار ها:

تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر میتواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب میرساند. خواص رادیو اکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام بند است. در کل ترکیبات اورانیوم به سختی جذب روده و ریه میشوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی میماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتش سوزی به همراه دارد.
فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیو م در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت میگیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا ۰.۰۷ تا ۱.۱ میکروگرم میباشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هسته ای دولت و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی میکنند بیشتر در معرض این عنصر قرار می گیرند.
اورانیوم ممکن است که درطریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمیشود و ذرات آلفای ساتع شده از این عنصر نمیتواند به پوست نفوذ کند. بنابر این اورانیومی که خارج از بدن باشد نمیتواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیه ها آسیب برساند.

سوخت هسته ای

سوخت هسته ای

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای

می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.

کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای

گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.

سوخت راکتورهای هسته‌ای

ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.
میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.

مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها

بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.

همجوشی خورشید و ستارگان

سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.
بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان 6 می باشد.در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد. به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود. بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد. بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربن C12 ترکیب می شود (همجوشی) و یک اتم N13 به علاوه یک واحد گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتمC13به علاوه یک پوزیترون و یک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود.O15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود میاورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.

محصور سازی

مشکلی اساسی سر راه همجوشی هسته‌ای است ; می دانیدهسته ازذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون ونوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت از خود میراند.مشکل مشخص شد؟ بله…اگرپروتونها (هسته های هیدروژن) یکدیگررادفع میکنند چگونه میتوان آنهارا در همجوشی شرکت داد؟
همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتونها آنقدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی رانش کولنی آنها شود و پروتونها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند. حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟ گرما راه حل خوبیست. در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر میشود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر میشود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.
یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما میدهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکولهای آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد.بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا میرود.خوب یک سوال:آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس میکنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکولهای پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور.امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیونها درجه کلوین برسانیم آیا این اتمها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نا بود میکند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...).بنابر این نیاز به ((محصور سازی)) داریم; یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.

رسیدن به دمای بالا

شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم میسوزد وشما صدای جرقه آنرا میشنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده.شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین میرسد.البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد.یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های مویین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است.می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از لیزر به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند.اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف میکند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که میگوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالا تر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالا تر میرود.

انواع واکنشها

برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشیست که قرار است در رآکتور انجام بشود.
ظبق تصویر زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتیست که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند.یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولیست. این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.
در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابر4MeVمی باشد.
قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند.این مقدار کافی حدودا معادل3fmمی باشد.چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکترواسناتیکی دو دوترون در حدود 0.5MeVهست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدار4.5MeVتولید می شود.(0.5MeVانرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده)
می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.

اما چرا لیتیم؟

قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در رآکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.

انواع رآکتور

توکامک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هسته ایست که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد.طرح توکامک در دهه پنجاه میلادی توسط روسها پیشنهاد شد. واژه توکامک از واژه های "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره ای" گرفته شده است.
یکی از دلایل و توجیحاتی که برای چنبره ای بودن محفظه های محصور سازی می شود بیان کرد این است که : توپ پر مویی را تصور کنید که شما قصد دارید موهای این توپ را شانه بزنید. شما هر طور و از هر طرف که بخواهید این کار بکنید همیشه دو طرف از موهای توپ شانه نشده و نامنظم باقی می ماند.حال به جای توپ فرض کنید که یک کره مغناطیسی داریم .میخواهیم که بردارهای میدان در سراسر اطراف این کره یکنواخت و منظم باشند(در واقع همه در یک جهت باشند).بنا به مثال این کار غیر ممکن بوده ونا منظمی در دو طرف کره باعث عدم پایداری محصور ساز می شود.ولی در یک محصور ساز چنبره ای چنین مشکلی وجود ندارد و یکنواختی میدان سراسر محصور ساز(توکامک)باعث پایداری آن می شود.مهم ترین و حیاتی ترین وظیفه یک ابزار همجوشی پایدار نگه داشتن پلاسما است.

اسفرومک

اسفرومک نوع دیگری از رآکتورهای همجوشیست که بر خلاف توکامک که چنبره ایست شکلی کروی دارد.البته تفاوت اسفرومک با توکامک در این است که در مرکز اسفرومک هیچ جسم مادی ای وجود ندارد.
اسفرومک متاسفانه با بی مهری مواجه شد و به اندازه توکامک مورد توجه واقع نشد.در حالی که اسفرومک مدت زیادی بعد از توکامک اختراع شد.
در دهه گذشته اغلب تحقیقات در بخش انرژی همجوشی مغناطیسی روی توکامک چنبره ای شکل برای رسیدن به واکنشهای همجوشی در سطح بالا متمرکز شده است.
کار توکامک در ایالات متحده وخارج آن ادامه دارد ولی سازمان دانشمندان انرژی همجوشی در حال بازدید از اسفرومک هستند.
قسمت زیادی از علاقه تجدید شده به پروژه اسفرومک روی تحقیقات فعالی در لاورنس لیورمور در گروهی به نام SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment) متمرکز شده است.SSPX در 14ژوئن 1999 در مراسمی با حضور نماینده ای از DOE و با همکاری دانشمندانی از Sandia و آزمایشگاه ملی لس آلاموس آغاز به کار کرد.SSPX یک سری از از آزمایشات است که برای این طراحی شده که توانایی اسفرومک را در این مورد که اسفرومک چقدر این کیفیت را داراست که پلاسما های داغ سوخت همجوشی را درون خود داشته باشد مشخص کند .
به عقیده رهبر پروژه SSPX آقای David Hill توکامک با دمای بالایی که در آن قابل دسترسیست (بیشتر از 100میلیون درجه سلسیوس که بارها بیشتر از دمای مرکز خورشید است)فعلا برنده جریان رهبری پروژه های همجوشی به حساب می آید.با این حال میدانهای مغناطیسی توکامک بوسیله کویل (سیم پیچ) های بیرونی بسیار بزرگ که چنبره رآکتور را کاملا احاطه می کنند تولید می شوند.این کویل های بسیار بزرگ هزینه بسیار زیاد و بی نظمی و اختلالاتی در کار رآکتور خواهند داشت.
در حالی که اسفرومک ها پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویل های کوچک پایدار کننده استفاده میکند بوجود می آورد.میدانهای مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می شود تولید می شوند.

انرژی‌ده کردن

می دانید درنوعی از رآکتورهای شکافت هسته ای بوجود آوردن زنجیره واکنشها بوسیله برخورد دادن یک نوترون پر انرژی با هسته یک اتم اورانیم235 انجام می شود.به این صورت که وقتی که این نوترون وارد هسته اتم اورانیوم235 می شود آن را به یک هسته اورانیم236 تبدیل میکند.از آنجا که این هسته ناپایدار است به سرعت واپاشی می کرده و اتمهای سبکتری به همراه سه نوترون پر انرژی دیگر را تولید می کند.
توضیح کاملتر اینکه در هسته های سنگین پایدار مثل اورانیوم بین نیروهای الکترواستاتیکی که مایل هستند ذرات تشکیل دهنده اتم را از هم دور کنند و نیروی هسته ای که آنها را کنار هم نگه میدارد تعادل بسیار حساسی وجود دارد که این تعادل رو می توانیم براحتی و به روشی که گفته شد به هم زده و واکنش شکافت هسته ای را شروع کنیم.واکنش حاصل از یک اتم با تولید کردن سه نوترون پر انرژی دیگر باعث میشود سه اتم اورانیم دیگر وارد واپاشی بشوند.به همین ترتیب واکنش اصطلاحا زنجیره ای میشود.
قدر مسلم یک رآکتور همجوشی ایده آل رآکتوریست که در آن واکنشهای زنجیره ای داریم. در واقع هدف اساسی در راه ساخت رآکتور همجوشی هسته ای زنجیره ای کردن آن است.اگر قرار باشد که ما در این راه انرژی صرف کنیم تا یک مقدار کمتر از آن را بدست بیاوریم مطمئنا این واکنش نه زنجیره ایست نه مفید.دانشمندان این رشته مفهومی به نام گیرانش را تعریف کرده اند که به معنی این است که مقداری انرژی صرف شروع واکنش کنیم و انرژی بیشتر از سلسله واکنشها بگیریم.در واقع در شرایط گیرانش واکنش زنجیره ای میشود.یعنی نه تنها انرژی تولیدی یک واکنش برای انجام واکنش بعد کافیست بلکه مقدار زیادی از آن هم اضافه است ومیتواند در اختیار ما برای تولید برق قرار بگیرد.
اگر بخواهیم توکامک یا هر وسیله دیگر که همجوشی در آن انجام می شود توان مفید داشته باشد یعنی به ما انرژی بدهد باید شرایط خاصی داشته باشد. برای آنکه احتمال برخورد ذرات(یونهای) نامزد همجوشی بالا برود اولا باید دمای خیلی بالایی درون آن تولید بشود و رآکتور هم بتواند بخوبی دمای بالا را تحمل کند.(این دما در محدوده ده به توان هشت درجه کلوین می باشد!)دوما رآکتور باید این توانایی را داشته باشد که درونش چگالی زیاد از یونها را وارد کرد و سوم اینکه زمان محصور سازی در آن طولانی باشد.
دمای بالا برای آن است که بتوانیم تقریبا مطمئن باشیم که می توانیم از سد محکم پتانسیل کولنی هسته ها بگذریم.چگالی زیاد هم برای این است که هر چه بیشتر احتمال برخورد های کارا بالا برود.
در این مسیر قانونی وجود دارد که نام آن معیار لاوسون است.به کمک این معیار می شود محاسبه کرد که آیا شرایط طوری هست که واکنش به گیرانش برسد یا نه.
معیار لاوسن = باید: مقدار چگالی*مدت زمان محصور سازی > ده به توان20ذره در متر مکعب باشد تا این واکنش به گیرانش برسد(البته بستگی مستقیم با دمای پلاسما دارد)
اما به طور دقیق تر: برای رسیدن به شرایط مطلوب درواکنشهای گرما هسته ای که در آنها از سوخت دوتریم - ترتیم استفاده می شود دمای پلاسما (T) باید در محدوده یک الی سه ضرب در ده به توان هشت درجه کلوین و زمان محصورسازی(تی ای)(تی اندیس E) باید در حدود یک الی سه ثانیه و چگالی (n) باید حوالی یک الی سه ضرب در ده به توان بیست ذره بر متر مکعب باشد.برای آغاز به کار رآکتور یعنی برای رسیدن به کمینه دمای حدود ده به توان هشت کلوین باید از وسیله گرما ساز کمکی استفاده کرد. بعد از محترق شدن سوخت مخلوط پلاسما با ذرات آلفایی که در اثر احتراق اولیه بوجود اومده اند گرم شده و می توانیم دستگاه کمکی را از مدار خارج کنیم.از آن به بعد سرعت فعالیتهای همجوشی با افزایش دادن چگالی پلاسما افزایش پیدا می کند.با این وجود افزایش چگالی به بالای مرزهای تعیین شده و مطمئن به معنی به هم خوردن پایداری پلاسما و یا اینکه خاموش شدن رآکتور را در پی خواهد داشت یا فاجعه.به عبارت دیگه (در صورت افزایش چگالی پلاسما) برای پایدار کردن پلاسما زمان محصور سازی و دمای احتراق و صد البته حجم پلاسما و نقطه پایداری پلاسما با افزایش چگالی بالا تر رفته و شرایط را برای کار سخت تر می کند. به حالت تعادل در آوردن این ملزمات با شکل بندی رآکتور در کوچکترین اسپکت ریتو که به شکل بندی مغناطیسی آن بستگی دارد مقدور میشود.
نسبت R به a را اسپکت ریتو می گویند.

نانوحسگرها

نانوحسگرها
تشخیص گونه‌های شیمیایی و زیستی از اساسی‌ترین فعالیت‌ها در عرصه‌های علوم‌زیستی و پزشکی می‌باشد. از این رو، توسعه ابزار جدیدی که قادر به آنالیز مستقیم، حساس و سریع این گونه‌ها باشد، می‌تواند جهشی در روش‌های تشخیص ایجاد کند. ادوات مبتنی بر نانوسیم‌ها دسته‌ای قوی و عمومی از حسگرهای الکتریکی و بسیار حساس می‌باشند، که می‌توانند گونه‌های شیمیایی و زیستی را به طور مستقیم شناسایی کنند.
این مقاله به معرفی نمونه‌های از تشخیص پروتئین‌ها، DNA، مولکول‌های دارو و ویروس‌های با اندازه یک تک مولکول به کمک این نانوحسگرها، می‌پردازد.
نانوساختارهایی مانند نانوسیم‌ها و نانوبلورها، فرصت‌های بی‌نظیر و جدیدی را در این عرصه بین رشته‌ای ارائه می‌کنند. اندازه این نانوساختارها در حد گونه‌های شیمیایی و زیستی می‌باشند و در نتیجه می‌توانند پیام‌هایی عالی برای تشخیص ایجاد کنند، که این کارها توسط ابزار ماکروسکوپی غیرممکن می‌باشد. نانوسیم‌ها و نانوبلورهای معدنی به علت ویژگی‌های الکتریکی و نوری بی‌نظیرشان، می‌توانند در حسگری به کار روند. میزان رنگ قابل تنظیم نانوبلورهای نیمه‌رسانا به همراه نشر قوی و گسترده این مواد، باعث ایجاد فرصت‌های جدید برای برچسب زنی و شناسایی نوری گونه‌های زیستی خواهد شد. ویژگی‌های کلیدزنی نوری نانوسیم‌های نیمه‌رسانا، باعث ایجاد نوعی حسگری مستقیم می‌شود.
نانوابزارهای الکترونیکی می‌توانند به سرعت با سیستم‌های کوچک یکپارچه شده، با برچسب‌زنی شیمیایی، با سرعت بیشتری کار شناسایی مستقیم را انجام دهند. این ویژگی‌ها به همراه حساسیت بسیار بالا، باعث می‌شود ابزار مبتنی بر نانوسیم‌ها کاربردهای اساسی در تشخیص‌های پزشکی، زیستی و حسگری داشته باشند.
اما چگونه می‌توان از نانوسیم‌ها به عنوان حسگر استفاده کرد؟
شکل 1-
A- یک نیمه‌رسانا مانند سیلیکون نوع (P-Si) P به یک الکترود فلزی و یک الکترود خروجی وصل می‌شود
B- نانوسیم‌های Si که به صورت ساختارهای بلورهای منفرد با شعاع nm3-2 می‌باشند.
C- یک ترانزیستور نانوسیمی مبتنی بر اثر میدانی، که با اتصال یک گروه ویژه به سطح نانوسیم‌ها حاصل می‌شود.
D- ابزارهای حسگری مبتنی بر نانوسیم‌های بسیار انعطاف‌پذیر یکپارچه
حسگرهای مبتنی بر اثرات میدانی نانوسیم‌ها
در این حسگرها از ترانزیستورهای اثر میدانی (FETs) مبتنی بر نانوسیم‌ها استفاده شده است، که قابلیت‌ کلیدزنی آنها، کاربردهای فراوانی در صنایع میکروالکترونیک دارد. در نمونه استاندارد FET شرح داده شده در شکل(1A ) ، یک نیمه‌رسانا مانند سیلیکون نوع ‌(PSi)P به یک الکترود فلزی و یک الکترود خروجی وصل می‌شود که به ترتیب جریان را تزریق و جمع‌آوری می‌کنند. یک الکترود گیت سوم که به یک لایه نازک دی‌الکتریک متصل است، جریان نیمه‌رسانا را از طریق کلید زنی بین منبع و خروجی برقرا می‌کند. در مورد نیمه‌رساناهای نوع p، به کار بردن ولتاژ گیت مثبت، حامل را تخلیه و باعث کاهش رسانایی می‌شود؛ و هنگامی که از ولتاژ گیت منفی استفاده می‌شود، با تجمع حامل، میزان رسانایی افزایش می‌یابد. وابستگی رسانایی به ولتاژ گیت، باعث انتخاب FETها برای حسگرهای مبتنی بر تغییرات الکتریسته می‌شود. میدان الکتریکی حاصل از اتصال گونه‌های باردار به گیت دی‌الکتریکی، مشابه به کار بردن ولتاژهای مورد استفاده در یک الکترود گیت می‌باشد. ایده استفاده از FETها برای حسگری در چند دهه قبل ارائه شده است، اگر چه حساسیت محدود این ابزار تاکنون باعث جلوگیری از تأثیرات بزرگ آنها شده است.
نانوسیم‌های نیمه‌رسانای سیلیکونی و مواد دیگر نیز می‌توانند به عنوان ابزار مبتنی بر FET به کار روند. یکی از بهترین موارد مطالعه شده نانوسیم‌های Si (شکل 1B) می‌باشند، که بلورهای منفرد با شعاع 23 nm می‌باشند. از جمله ویژگی‌های جذاب این مواد می‌توان به قابلیت تکرار‌پذیری تولید آنها اشاره کرد زیرا می‌توان ویژگی‌های الکترونیکی آنها را در حین رشد کنترل کرد.
کلیدزنی با کارآیی بالا در نانوسیم‌های Si یک عامل مهم در حساسیت محسوب می‌شود. برای غلبه بر محدودیت‌های حساسیت در حسگرهای FET مسطح قدیمی، از یک نانوساختار یک‌بعدی استفاده می‌شود. اتصال این ساختار به سطوح نانوسیم‌ها باعث تخلیه و تجمع حامل‌ها در مواد توده‌ای شده، موجب افزایش حساسیت تشخیص مولکول‌های منفرد می‌گردد.
نانوسیم‌های Si با روکش‌هایی از اکسیدهای طبیعی، گیرنده‌هایی را ایجاد می‌کند که اطلاعات زیادی را از تغییرات شیمیایی اکسید سیلیکون یا سطوح شیشه‌ای حسگرهای زیستی و شیمیایی دریافت می‌کند. هنگامی که یک حسگر در معرض محلول حاوی ماکرومولکول‌‌ها قرار می‌گیرد، این مولکول‌ها به آن می‌چسبند و باعث افزایش بار مثبت سطحی و کاهش رسانایی ابزار نانوسیمی نوع p می‌شوند.
شکل 2- حسگر pH نانوسیمی
A. طرحی از یک حسگر نانوسیمی با گروه‌های آمینی
B. تغییرات در هدایت نانوسیم با pH محلول
C. طرحی از یک حسگر نانوسیمی بدون گروه‌های آمینی
D. تغییرات در هدایت نانوسیم با pH محلول
حسگرهای pH در سال 2001 اولین نمونه برای نشان دادن قابلیت ابزارهای مبتنی بر اثر میدانی نانوسیم‌ها جهت شناسایی گونه‌های محلول ساخته شد. این ابزار یک نمونه از حسگرهای pH برای اندازه‌گیری غلظت یون‌های هیدروژن بود. گروه‌های آمینی و سیلانول از گیرنده‌های یون هیدروژن می‌باشند و این کار را با پروتونه شدن و حذف پروتون انجام داده، باعث تغییر بار سطحی نانوسیم‌ها می‌شوند. آنچنانکه در شکل (2B) مشاهده می‌شود این ابزار نانوسیمی Si نوع P، افزایش تدریجی رسانایی را به عنوان pH محلول نشان می‌دهد. افزایش تقریباً خطی رسانایی با pH، از نقطه نظر حسگری که در اثر حضور دو گروه گیرنده، که تحت شرایط pH متفاوت پروتونه و دپروتونه می‌شوند، پدیده جذاب و جالبی است.
گیرنده‌های سطحی در تعیین پاسخ حسگرهای نانوسیمی نقش مهمی ایفا می‌کنند. همچنان‌که در شکل (2C) نشان داده شده است فقط گروه‌های سیلانول می‌توانند به عنوان گیرنده‌های یون هیدروژن در این مورد عمل کنند.
اندازه‌گیری رسانایی به عنوان یک تابع pH، در شکل (2D) دو ناحیه پاسخ متفاوت را نشان می‌دهد که بر خلاف سطوح نانوسیمی که دارای دو گروه آمینو و سیلانول می‌باشند تغییرات رسانایی در pH پایین (2 تا 6) کوچک بوده اما در pH های بالا (6 تا 9) بزرگ‌تر می‌باشد.
بنابراین تغییرات وابستگی pH به رسانایی، کاملاً موافق با اندازه‌گیری‌های پیشین وابستگی pH به دانستیه بار سطحی حاصل از سیلیکا می‌باشد. این مقایسه‌ها در آزمایش های اخیر به طور کاملاً واضح نشان می‌دهد که مکانسیم حسگری در واقع نتیجه اثرات میدانی مشابه برای اعمال یک ولتاژ در الکترودهای گیت فیزیکی می‌باشد.
شناسایی DNA و پروتئین‌ها
ماکرومولکول‌های زیستی مانند پروتئین‌ها و DNA، نمونه‌ای از مولکول‌های باردار در محلول‌های آبی می‌باشند که هنگامی که گیرنده‌های این مولکول‌ها به سطوح فعال نانوسیم‌ها متصل می‌شوند، می‌توان آنها را به راحتی با حسگرهای مبتنی بر نانوسیم‌ها شناسایی کرد. اولین نمونه از کار شناسایی پروتئین‌ها در محلول با استفاده از ابزار نانوسیمی سیلیکونی نوع P انجام شده است. در این نمونه یک مولکول بیوتین با انتخابگری بالا به پروتئین استرپتاویدین و سطوح اکسیدی نانوسیم‌ها متصل می‌شود. هنگامی که محلولی از پروتئین استرپتاویدین درون ابزار حسگری نانوسیمی دارای گیرنده‌های بیوتین قرار گرفت، مقدار رسانایی به سرعت تا حد یک ثابت افزایش یافت و پس از افزایش محلول خالصی از بافر همچنان ثابت باقی ماند.
نقش کلیدی گیرنده‌های سطحی بیوتین برای شناسایی ویژه استرپتاویدین در چند آزمایش شرح داده شده است. به عنوان مثال افزایش محلول استرپتاویدین به نانوسیم‌های سیلیکونی بدون گیرنده هیچ تغییری در رسانایی ایجاد نمی‌کند. تجمع واحدهای به هم چسبیده استرپتاویدین نیز باعث عدم پاسخ ابزار نانوسیمی Si دارای بیوتین خواهد شد. به علاوه این کارهای اولیه نشان می‌دهد که شناسایی الکتریکی به موقع می‌تواند در غلظت‌های کمتر از حداقل 10 PPm (کمتر از سطح شناسایی مورد نیاز برای تعدادی از پروتئین‌های نشان‌دار بیمار) انجام شود.
اخیراً از ابزارهای اثر میدانی نانوسیم‌های سیلیکونی برای تشخیص تک رشته‌های DNA استفاده شده است. در این ابزارها ماکرومولکول‌های پلی‌آنیونی باردار به سطوح نانوسیمی نوع P متصل شده و باعث افزایش رسانایی می‌شوند.
مولکول‌های PNA غیرقطبی که مولکول‌های پایدارتر و گیرنده‌های قوی‌تری نسبت به DNA می‌باشند، به عنوان یک گیرنده برای شناسایی DNA به کار می‌روند.
افزایش رسانایی ابزار نانوسیمی سیلیکونی نوع P متناسب با افزایش دانسیته بار سطحی منفی در اثر اتصال DNA به سطح می‌باشد.
انواع دیگری از حسگرهای DNA نانوسیمی نیز وجود دارند که اولین سری این ابزار، تغییرات رسانایی را برای غلظت‌های مختلف گروه‌های هدف نشان می‌دهد.
به طور ویژه، تشخیص حد شناسایی جریان، بهتر از روش هایی مانند SPR، استفاده از نانوذرات افزوده شده به SPR و میکروبالانس بلوری کوارتز برای شناسایی DNA می‌باشد.
قابلیت ایجاد قطعه به قطعه نانوسیم‌های Si، یکی از ویژگی‌های مهم برای توسعه نانوحسگرها می‌باشد که حساسیت بسیار بالایی برای تشخیص DNA در تشخیص ژنتیکی و تحقیقات زیستی دارا می‌باشند.
بالا بردن حد حساسیت: تشخیص ویروس‌های منفرد
مطالبی که در بخش‌های قبل مرور شد تعدادی از قابلیت‌‌های حسگرهای نانوسیمی را برای تشخیص گونه‌های شیمیایی و زیستی در محلول نشان می‌داد. پژوهشگران به منظور تعیین حساسیت نهایی حسگرهای نانو سیم، مطالعاتی را برای تشخیص ویروس‌ها که از مهمترین عوامل بیماری‌های انسان به‌ شمار می‌روند با هدف دستیابی به توانایی تشخیص یک ویروس منفرد انجام داده اند.
هنگامی که یک ویروس به یک گیرنده پادتن متصل به ابزار نانوسیمی متصل می‌شود، رسانایی این ابزار تغییر می‌کند و هنگامی که ویروس جدا می‌شود، رسانایی به مقدار اولیه بر می‌گردد. اندازه‌گیری نوری و الکتریکی با استفاده از ویروس‌های نشان‌دار آنفلونزا (به طریق فلوئورسانت) تأیید می‌کند، که تغییرات مشاهده شده در رسانایی این ابزار در نتیجه اتصال یا عدم اتصال ویروس منفرد می‌باشد. داده‌های الکتریکی و نوری نشان می‌دهد که هنگامی که یک ویروس به مجاورت حسگر نانوسیمی می‌رسد، رسانایی آن در حد پایه باقی می‌ماند و رسانایی فقط پس‌از اتصال به سطح نانوسیم افت می‌کند. همین که ویروس از سطح نانوسیم دور شود، رسانایی سریعاً به حد اولیه خود باز می‌گردد. در واقع ویروس فقط زمانی یک پاسخ الکتریکی می‌دهد که به نانوسیم متصل شده باشد. این پیشرفت ممکن است در آینده به توسعه ابزارهای بسیار متراکم نانوسیمی منجر شود. حد تشخیص این حسگرها به وسیله تمایل گیرنده به هدف تعیین نمی‌شود. تحلیل زمان‌های on/off ذرات مجزا، اطلاعات مفید و مستقیمی درباره سینتیک اتصال می‌دهد که در درک برهمکنش گیرنده ویروس مؤثرند. حساسیت ذرات منفرد، تشخیص ساده ماکرومولکول‌ها را بر پایه بار الکتریکی آنها امکان‌پذیر می‌سازد.
آرایه‌های یکپارچه و شناسایی چند جزئی
یکی از جنبه‌های بسیار جذاب حسگرهای FET مبتنی بر نانوسیم‌ها پتانسیل آنها برای یکپارچه شدن به صورت آرایه‌های حسگر می‌باشد که به طریق الکتریکی قابل تحریک و فرمان دادن هستند. اخیراً راهکارهایی گزارش شده که به هم پیوستن ابزار FET مبتنی بر نانوسیم‌ها را به صورت موازی و روی هم، باسطح وسیع و بدون نیاز به اتصال تک‌ به تک نانوسیم الکترود مقدور می‌سازد.
آرایه‌های حسگرهای نانو سیمی امکان تشخیص همزمان چندگونه شیمیایی و زیستی بدون برچسب را فراهم می‌کنند.
نتیجه‌گیریادوات حسگر مبتنی بر اثر نشر میدان نانوسیم‌هایی که به وسیله گیرنده‌های سطحی ویژه اصلاح شده‌اند، توانایی خوبی در تشخیص و شناسایی محدوده وسیعی از گونه‌های شیمیایی و زیستی محلول را دارند. این حسگرهای نانوسیمی از چند جنبه مهم و جالب توجه‌اند.
هدایت سیگنال الکتریکی به طور مستقیم و بدون نشان‌دار کردن گونه‌ها، حساسیت بسیار بالا، انتخاب‌پذیری فوق‌العاده و قابلیت تجمع آرایه‌ها در مقیاس بزرگ که آنها را از سایر فناوری‌های موجود در حسگرها جدا می‌کند.
مثال‌های ذکر شده در این مقاله قابلیت بی‌نظیر این ابزار را در تشخیص و شناسایی پروتئین‌ها، ویروس‌ها و DNA جهت آنالیز مولکول‌های آلی کوچک متصل به پروتئین‌ها نشان می‌دهند که می‌توانند برای تشخیص بیماری‌ها، غربال کردن ژنتیکی، رهاسازی دارو و همچنین به عنوان ابزاری قدرتمند برای تحقیق در زمینه‌های مختلف زیست‌شناسی بکار روند.
در آینده نزدیک نشان داده می‌شود که این پیشرفت می‌تواند در سطح تجاری‌ گسترش یافته و کاربرد روشن فناوری‌نانو را در منافع بشری معرفی کند. اعتقاد بر این است که پیشرفت در قابلیت یکپارچه‌سازی بزرگتر و پیچیده‌تر آرایه‌های نانوسیم و الحاق آنها با اجزای الکترونیکی رایج و نانومقیاس منجر به قدرت فوق‌العاده سیستم‌های حسگر می‌شود که می‌توانند رویاهای پزشکی امروز را تحقق بخشند.
بررسی نحوه قرارگیری و اتصال نانوسیمها در فناوری FPNI
فناوری cmos که سالها به‌علت برخی مزایا از قبیل توان مصرفی کم، حاشیه نویز بالا و قابلیت مجتمع‌سازی در مقیاس وسیع فناوری غالب بوده‌است، اکنون با یک چالش جدی روبرو شده‌است. روند دائمی کاهش اندازه نما در فناوری CMOS که باعث افزایش چگالی المانها و سرعت مدارات می‌شد اکنون به‌انتهای نقشه راه خود نزدیک شده و به‌نظر نمی‌رسد که برای ابعاد زیر 10 nm مناسب باشد، در حالیکه طبق پیش بینی ITRS در سال 2020 می‌باید طول گیت ترانزیستور‌ها 10 nm باشد. محدودیت‌های ذاتی سیلیکون ناشی از آثار کوانتم مکانیکی در ابعاد بسیار کوچک و کاهش شدید بازدهی در چنین ابعادی توآم با مشکلات فناوریک، پیچیدگی و هزینه زیاد ساخت سبب ایجاد مشکلات جدی برای سازندگان و هزینه زیاد برای کاربران خواهد شد. یکی دیگر از مشکلات مهم آن است که در ابعاد نانومتری ترانزیستورها بمراتب سریع‌تراز Interconnectها هستند که باعث عدم کارکرد صحیح مدار خواهد شد. ساخت ترانزیستورهایی با طول گیت چند نانومتر و انجام آلایش در آن ابعاد نیازمند فرآیند‌های بسیار دقیق و پرهزینه‌است و ما را به‌این واقعیت مهم راهنمایی می‌کند که قانون Moore و VLSI کنونی که مبتنی بر نقش نگاری لیتوگرافی ، مدارهای CMOS و گیت‌های بولی است به‌آخر نقشه راه خود نزدیک می‌شوند. مایکروالکترونیک معاصر به‌دنبال راه کارهای جدیدی برای غلبه بر چالش‌های موجود است. هم اکنون یک جایگزین عمده مبتنی بر نانوالکترونیک برای جایگزین کردن مایکرو الکترونیک پیشنهاد شده‌است: ادوات تک الکترونی یا Single-Electronics. در ادوات تک الکترونی از مولکولهایی که به‌طور خاص طراحی و سنتز شده‌استفاده می‌شود و در ساخت آن پیشنهاد شده‌از روش پائین به‌بالا استفاده شود. اما مشکل اینجاست که این ادوات بتنهایی از عهده انجام کارهایی نظیر تأمین ولتاژ یا تأمین بهره یا. . . بر نمی‌آیند. دقیقآ به‌همین دلیل است که اکنون این باور که تنها راه رسیدن به‌نانوالکترونیک با کارایی بالا ترکیب ادوات تک الکترونی یا مولکولی با مدارهای CMOS است به‌گونه‌ای که المانهای سه پایه ضعف این ادوات را در تأمین بهره ولتاژ، آدرس دهی و. . . جبران می‌کنند در حال تقویت‌‌شدن است. پس در نتیجه فناوری CMOS/Nano مطرح شد که در آن قسمت نانو بار محاسباتی را انجام می‌دهد و قسمت CMOS آدرس دهی، تأمین بهره و بازیابی سیگنال و. . . را به‌عهده دارد.
اما با این حال هنوز مشکل تنظیمات وجود دارد، که تنظیمات نانوسیمها نسبت به‌یکدیگر با crossbar حل شده ولی نسبت به‌قسمت CMOS این فناوری را دچار چالش کرده و این فناوری را به‌سمت CMOL (cmos molecular hybrid) هدایت می‌کند. مزیت اصلی CMOL، سادگی، چگالی و شکل‌بندی جداگانه آن است. تکنولوژی CMOL نیز به‌دلیل مشکلاتی که دارد از جمله:
(1) مسئله پیچیدگی و عدم همترازی نانوپین‌هایی که بر روی سطح CMOS هستند.
(2) نامعلوم بودن محل و جایگاه نانوپین ها.
(3) الگوریتم آدرس دهی جدید.
(4) سایز نانوسیمها، که حدود 4. 5nm و با pitch 9nm پیش بینی شده و دور از دسترس قابلیتهای کنونی لیتوگرافی است و طبق ITRS برای سال 2030 است، دچار چالشهای جدی شده و این چالشها را در فناوری جدیدی که از آن به‌FPNI یاد می‌شود، برطرف می‌کند.
2. روش کار
2-1. FPNIدر شکل 1-1 ساختار nanowire crossbar با یک تراشه CMOS نشان داده شده‌است.
شکل 1: nanowire crossbar و cmos
مشاهده می‌شود که نانوسیمها که به‌طور عمود بر یکدیگر واقع شده‌اند، با یک فاصله کوچک که آن را یک ابزار قابل شکل‌گیری Antifuse فرض می‌کنند، جدا شده‌اند.
پین‌های فلزی بر روی سطح تراشه از پائین به‌CMOS و از بالا اتصال با نانوسیم‌ها را فراهم می‌کنند. به‌طور کلی معماری FPNI موضوع‌های عملکرد جداگانه نانوسیم‌ها و CMOS، اتصال دو لایه با جایگذاری مناسب پین‌ها و نانوسیم‌ها و افزایش میزان خطا و تغییر پذیری در نانوسیم‌های Crossbar را بیان می‌کند.
اولین ایده‌ها پیشنهاد پیاده‌سازی demultiplexerها را در نانوسیمهای crossbar مطرح کرد. از این طریق می‌توان با تعداد کمی از پینها تعداد زیادی از نانوسیمها را کنترل کرد اما مشکلی که به‌وجود می‌آید این است که ساخت demultipelexer بدون ابزارهای غیرخطی تقریبا غیرممکن است.
در این مقاله یک ساختار ترکیبی کلی از FPNI که بین سرعت، چگالی و قدرت تحمل پذیری مصالحه‌ای برقرار می‌کند، پیشنهاد می‌شود که نسبت به‌CMOL توان مصرفی کمتر و آزادی بیشتری در انتخاب ابزارهای نانو وجود دارد.
2-2- اختلاف‌های اساسی FPNI با CMOLدر شکل 2 ساختار هندسی نانوسیمها، پین‌ها و cmos که در زیر آن قرار می‌گیرد را در دو فناوری cmol و fpni مقایسه می‌کند. Cmol دریایی از invertorهای منظم فرض می‌شود که به‌پین‌های روی سطح سیلیکون متصل هستند. نانوسیمهای crossbar در بالای آن اندکی چرخانده‌شده‌تا نانوسیمها با وضعیت بهتری به‌پینهای روی سطح cmos متصل شوند. نانوسیمهای افقی به‌ورودی invertorها وصل می‌شوند و نانوسیمهای عمودی فقط به‌خروجی آنها. اتصالات سبز رنگ انتخابی در شکل 2 نیز به‌صورت مقاومتهای غیرخطی در نظر گرفته می‌شود که تأثیر مهمی در فراهم نمودن وارونگی و بهره دارد.
fpni در قسمت سمت راست شکل2 شامل مجموعه ای
شکل 2: cmol و fpni
از گیت‌های منطقی، بافرها و سایر اجزاء در لایه cmos فرض می‌شود و از نانوسیمها فقط برای interconnect استفاده می‌شود. در اینجا نانوسیمها از لایه‌هایی جهت پوشاندن پین‌ها تشکیل شده‌است. (پین‌ها بزرگتر از نانوپین‌های cmol هستند.) در fpni نیز چرخش اندک نانوسیمها جهت اتصال آنها به‌پین‌ها وجود دارد. اتصالات انتخابی (سبز رنگ زیر panel) هم عنوان مقاومتهایی جهت اتصال محاسباتی به‌کار رفته‌است.
در فناوری fpni مشکل اندازه و همترازی پین‌ها برطرف شده‌است.
در مجموع اختلاف بین دو فناوری cmol و fpni را می‌توان به‌صورت زیر بیان کرد:
در ساختار fpni محاسبه‌ها تنها در cmos انجام می‌شود و آدرس دهی در نانوسیم ها. کاهش توان مصرفی باعث می‌شود تا بتوان از Antifuseهای خطی یا غیر خطی در نقاط اتصال استفاده کرد.
همترازی نانوسیمهای crossbar با پین‌های cmos در ساختارfpni.
در fpni از cmosمرسوم استفاده می‌شود،
درحالیکه در cmolبه علت نیاز به‌Vdd=0. 3v و کاهش منبع ولتاژ از cmos معمولی نمیتوان استفاده کرد.
2-3- ساختاردر fpni نانوسیمها به‌صورت مورب آدرس دهی می‌شود (با اندکی چرخش نسبت به‌طول) ، که به‌خاطر اتصال بهتر پینها با نانوسیمها است.
سطح cmos به‌سلولهای مربعی منظم تقسیم می‌شود، که به‌هر سلول یک پین ورودی برای خواندن یک سیگنال از نانوسیمها و یک پین خروجی جهت تحریک کردن یک سیگنال از گیت به‌نانوسیم متصل است.
یک بافر تنها در یک سلول پیاده‌سازی می‌شوند، در صورتیکه گیتهای منطقی و فلیپ فلاپها نیاز به‌سلولهای چندگانه دارند.
شکل 3: نمایی از سلولهای سطح cmos
گیتهای منطقی استفاده‌شده‌در این ساختار n-input AND/NAND فرض می‌شود، که بر روی n سلول پیاده‌سازی خواهند شد. یک فلیپ فلاپ درون چهار سلول پیاده‌سازی می‌شود، به‌طوریکه چهار پین ورودی همه به‌ورودی D فلیپ فلاپ وصل می‌شود. دوتا از چهار پین خروجی به‌Q و دوتای دیگر به‌خروجی –Q وصل می‌شود.
ورودی و خروجی‌های اولیه روی یک جفت سلول اعمال می‌شود که به‌صورت یک سیگنال ورودی و یک سیگنال خروجی به‌کار گرفته می‌شود. یک سیگنال ورودی شدت جریان خروجی را به‌آرایه‌های سلول می‌رساند و آنرا به‌صورت واقعی و invertشده روی دو پین خروجی اعمال می‌کند. سیگنال خروجی نیز از طریق یک نانوسیم به‌سمت دو پین ورودی هدایت شده‌از آنجا به‌خارج از تراشه ارسال می‌شود.
در مجموع یک تراشه fpni از hypercellهای یکسآنکه شامل گیتهای منطقی، بافرها و فلیپ فلاپ است، تشکیل شده‌است، که پیرامون آنرا سلولهای I/O احاطه می‌کند و یک ساختار مشابه به‌بلوک منطقی قابل شکل‌گیریCLB (Configurable Logic Block) به‌کار رفته در FPGA است.
2-4- پیکر‌بندیوضعیت اتصال‌های استفاده‌شده‌مشابه cmol است. یک اتصال، به‌صورت یک آرایش الکتریکی با اعمال ولتاژ مناسب روی دو نانوسیم تعریف می‌شود. آرایش نانوسیمها در یک تراشه cmos از میان هر سلول می‌گذرد و قبل از شکل دهی یک اتصال بافرها، گیتها و فلیپ فلاپها در سلولها غیرفعال هستند. با اعمال ولتاژ مناسب به‌decoderها که در لبه اطراف سلول واقع شده‌اند، سبب می‌شود که دو ترانزیستور موجود در سلول که در شکل4 نشان داده شده‌است ولتاژهای مختلفی را روی نانوسیم خروجی و نانوسیم ورودی انتخاب شده، داشته باشد. جهت شکل دهی حالت اتصال با اعمال ولتاژ در محل اتصال دو نانوسیم می‌توان به‌این منظور دست یافت، برای مثال در صورت اعمال ولتاژ مثبت Antifuse یک حالت کم مقاومت (low-impedance) پیدا می‌کند و زمانی که ولتاژ منفی اعمال شود به‌حالت مقاومت زیاد (high-imedance) بر می‌گردد.
شکل 4: نمایش ترانزیستورهای درون یک سلول
به محض شکل‌گیری مدار وضعیت خطوط به‌سمت خاموشی ترانزیستورها در هر سلول پیش می‌رود و گیتها، بافرها و فلیپ فلاپها را جهت عملیات برنامه‌ریزی مدار فعال می‌کند.
2-5- ساختنظر به‌اینکه در نانوالکترونیک به‌تعریف ساخت در ابعاد خیلی کوچک به‌وسیلة روشهای تولید و ساخت photolihogeraphy پرداخته می‌شود، لذا روش محتمل، Imprint lithogeraphy خواهد بود. به‌طوریکه علاوه‌بر قابلیت همترازی پینها دسترسی به‌داده‌های بین لایه مورد نظرو اتصالهای نانوسیمها مورد نظر است. شروع ساخت همان‌طور که در شکل 5 نشان داده شده‌است:
1-لایه اولconnectorها و سیمها هستند که به‌وسیله nanoimprint ساخته می‌شوند و با لایه‌های زیرین نانوسیمها در یک سطح بر روی مجموعه‌ای از پینهای روی زیرپایه قرار می‌گیرند.
2- لایه‌ای از نانوسیمها که به‌صورت عمودی هستند را به‌طور هم سطح روی پینهای نمایش داده‌شده‌قرار می‌دهیم.
3-تمام سطح روی تراشه با لایه‌هایی از switch latch
شکل5: روش ساخت سلولها در fpni
پوشانده می‌شود.
4- استفاده از لیتو گرافی استاندارد که از یک لایه ماسک روزنه دار که بر روی پینهای زیرپایه قرار می‌گیرد موادپوشاننده این پینها را etch می‌کنیم و لایه ماسک را بر می‌داریم.
5- لایه دوم از نانوسیمها که به‌صورت افقی هستند را به‌طور هم سطح روی پینهای نمایش داده‌شده‌قرار می‌دهیم.
این پروژه ساخت برای crossbar با کوچکتر از 65 نانومتر و نیم pitch مسئله ساز می‌شود. کوچکتر به‌یک راهبرد خاص جهت توسعه این موضوع جهت سیمهای نازکتر از 65 نانومتر نیاز داریم.
3- نتیجه‌گیری
با استفاده از روش مدل کردن و شبیه‌سازی مقایسه‌ای بین 17 نوع مدار معیار بین فناوری‌های cmol و fpni در دو اندازه 30 و 9 نانومتر در آزمایشگاه شرکتhp صورت گرفته‌است که نتایج آن را در جدول 1 آورده شده‌است.
تغییرپذیری در خواص نانوسیمها و اتصالهای الکتریکی یک چالش را در عملکرد ابزار نشان می‌دهد، و آن احتمال مشاهده تجربی و نظارت بر توان و clock rate ابزار است. همچنین در اثر گذشت زمان ابزار نیاز به‌آدرس دهی مجدد دارند، که این موضوع در هاله‌ای از ابهام قرار دارد و راه حلی برای آن ارائه نشده‌است. برای مثال مشخص نیست چه طولی برای شکل‌گیری اتصال لازم است. شاید پیکربندی یک تراشه fpni برای ادامه کار به‌صورت صحیح به‌تازه‌سازی در مدت زمانهای منظم و متناوب نیاز داشته باشد. fpni نسل آینده تراشه‌ها خواهد بود که از نظر عملکرد (توان، clock speed و سطح) و قدرت تحمل پذیری مطابق با ITRS در سالهای آینده است.
شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که برای fpni در مقیاس 30nm در مقایسه با cmos-fpga چگالی هشت برابر افزایش می‌یابد
جدول1: مقایسه کاربردی بین CMOS و CMOL و FPNI
بررسی بازار نانوحسگرها
منظور از نانو حسگر ها
حسگرهایی که در ساخت آنها از نانوذرات، نانوپوشش‌ها و یا از سایر مواد مصرفی نانومتری استفاده شده است
ولی تولید آنها از طریق فناوری مرسوم می‌باشد.
(2) حسگرهایی که از نانومواد برای سیستم حسی آنها استفاده شده و برای تولیدشان نیز از بعضی فناوری‌های نانوالکتریکی مانند مولکترونیک (molectronics)، اسپینترونیک، پلاستیک‌ها یا پلیمرهای الکترونیکی، نانولوله‌ها و نانوسیم‌ها استفاده شده است.
پیش‌بینی نانومارکتز نشان می‌دهد که نانوحسگرهای نوع اول بازار نانوحسگرها را در طول دهه بعد به‌دست خواهند گرفت و سپس برای اولین بار در سال 2011 به میزان 50% رشد منفی خواهند داشت. به هر حال پیشرفت نانوحسگرهای نوع دوم واقع‌گرایانه‌تر است.
شرکت ان. وی.ای (NVE) از هم اکنون نانوحسگرهایی بر پایه فناوری اسپینترونیک را برای بازار سمعک‌ها و دستگاه‌های تنظیم‌کننده ضربان قلب خریداری کرده است؛ یعنی در جاهایی که اندازه کوچک این دستگاه‌ها مزایای بسیار آشکاری دارد.
جذابیت‌های نانوحسگرهابه طور صریح این قبیل مزایای نانوحسگرها باعث شده است که به عنوان فرصتی وسوسه‌انگیز برای بازار تلقی شوند. نانوحسگرها به طور ذاتی کوچک‌تر و حساس‌تر از سایر حسگرها می‌باشند. همچنین این ظرفیت را دارند که قیمت تمام شدة آنها کمتر از قیمت تمام‌شده حسگرهای موجود در بازار باشد.
در این تحقیق نشان داده شده که اگر تولید انبوه نانوحسگرها توجیه اقتصادی پیدا کند هزینه تولید آنها می‌تواند بسیار کمتر از حسگرهای معمولی باشد. برای مثال اگر قیمت حسگرهای صنعتی متداول امروزی، چند 10 هزار دلار باشند برای نانوحسگرهایی که بتوانند همان کار را انجام دهند به صورت نظری چند 10 دلار برآورد می‌شود. نانوحسگرها همچنین هزینه جاری را نیز کاهش می‌دهند؛ زیرا به طور ذاتی برق کمتری مصرف می‌کنند.
درنهایت از آنجایی که نانوحسگرها هزینه‌های خرید و اجرا را کاهش می‌دهند؛ ممکن است به‌کارگیری آنها به صورت آرایه‌ها و توده‌ها مقرون به صرفه باشد و همچنین بتوانند به شکل فراگیر و حتی اضافی در قطعات کاربرد پیدا کنند؛ به طوری‌که اگر یک نانوحسگر از کار بیفتد و از مدار خارج شود بتوان از آن صرف نظر کرد و ضریب امنیت در حد مطلوبی باقی بماند، زیرا تعداد زیادی نانوحسگر دیگر در سیستم می‌توانند کار آن را به عهده بگیرند.
با برداشتی که از کاربرد نانوحسگرها می‌کنیم امکان دارد به سرعت به سمت این نتیجه‌گیری سوق پیدا کنیم که فناوری نانوحسگرها، فناوری بسیار مطمئن و قابل قبولی است، اما هنگامی که به سمت معادله عرضه و تقاضا نگاه می‌کنیم در می‌یابیم که تجارت نانوحسگرها در ابتدای راه است و مشغول دیدن زوایای بیرونی کار به مثابه یک رویای ثروت‌اندوزی است.
در بخش نظامی و امنیت ملی احتیاج به حسگرهای بسیار حساسی است که بتوانند به صورت گسترده توزیع شوند تا به کمک آنها بتوان تشعشعات و بیوسم‌های زیستی را مورد بررسی قرار داد. در زمینه پزشکی نیاز به حسگرهای بسیار حساسی به صورت آزمایشگاه‌هایی بر روی تراشه است که بتوانند کوچک‌ترین علائم نشان‌دهندة سرطان را شناسایی کنند. در صنایع هوافضا احتیاج به نانوحسگرهایی است که در بدنة هواپیماها به عنوان سیستم هشداردهنده ثابت قرار بگیرند و مشخص کنند که چه زمانی هواپیما احتیاج به تعمیرات دارد.
در صنایع اتومبیل می‌توان از نانوحسگرها برای مصرف بهینه سوخت استفاده کرد. همچنین در اتومبیل‌های گران‌قیمت می‌توان برای بهبود وضعیت صندلی و وضعیت کنترل‌های موجود به تناسب حالت‌های مختلف بدن، این نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد. در مرحله بعدی می‌توان از آن در فناوری اطلاعات به منظور ترغیب در فراگیرشدن (ای.کا.ای فراگیر) سیستم‌های محاسبه‌گر رایانه‌های همراه همیشه روشن استفاده کرد. همچنین می‌توان آنرا به شکل توده حسگرها در تلفن‌های هوشمندی که برای ارتباطات ثابت بین سایر تلفن‌های هوشمند و رایانه‌های همراه از آنها استفاده می‌شود، به کار برد!
موانع پیشرفت بازار نانوحسگرها تعدادی از شرکت‌های بسیار بزرگ بازرگانی اکنون بازار نانوحسگرها را زیر نظر گرفته‌اند. شرکت (Smiths detection) نانوحسگری را تولید کرده که باعث توسعه حسگرها در زمینه‌هایی چون امنیت ملی، کنترل کیفی خوراکی‌ها و شناسایی بیماری‌ها شده است. شرکت (Dow Corning) درخت‌سان‌هایی تولید کرده و قصد دارد با کمک شرکت جننکر
(Genencor) قالب‌های سیلیکونی را تولید نماید که با فناوری زیستی به دست آمده‌اند و در ساخت بیوحسگرها کاربرد دارند. آزمایشگاه تحقیقاتی مشهور IBM در زوریخ (Zurich IBM) نیز تحقیقاتی بر روی نانوحسگرهای زیستی و شیمیایی انجام داده است. همچنین شرکت لاک هید مارتین و بوئینگ بر روی این ایده کار می‌کنند که چگونه می‌توان از نانوحسگرها در صنایع هوا فضا استفاده کرد. به طور دقیق 12 آزمایشگاه تحقیقاتی بر روی اهداف و انواع مختلف فناوری نانوحسگرهای تجاری در سراسر جهان مشغول به کار هستند.
البته این‌ها برای نانوحسگرها بیشتر استثناء هستند تا قاعده کلی. در واقع سیاست تمام صنایع ساخت حسگر به گونه‌ای است که به نانوحسگرها اولویت و برتری خاصی داده نمی‌شود. یکی از دلایل این امر آن است که شرکت‌‌ها، مشکلات اقتصادی و تکنیکی نانوحسگرها را مهم‌تر از مزایای آن می‌دانند.
نانومارکتز این قبیل مشکلات و موانع پیشرفت بازار نانوحسگرها را در 5 فاکتور زیر خلاصه کرده است.
قیمت بالای مواد در ساخت بسیاری از نانوحسگرهایی که در آزمایشگاهها تولید می‌شوند از مواد سمی (مانند نانوذرات طلا) استفاده می‌گردد که برای کاربرد گسترده می‌توانند بسیار گران قیمت باشند.
مشکلات تولید با پلاتفرم‌های مواد یا فناوریاصول اولیه فناوری نانوپلاتفرم‌هایی که در ساخت نانوحسگرها کاربرد دارند هنوز جزء مشکلات ساخت به حساب می‌آیند. برای مثال نیمه‌هادی یا ‌هادی‌بودن نانولوله‌های کربنی هنوز مورد بحث است و مقالات زیادی وجود دارد که در همگی آنها روش‌های مختلفی را به عنوان بهترین روش برای اطمینان یافتن از نیمه‌هادی یا هادی‌بودن نانولوله‌های کربنی معرفی کرده‌اند.
مشکلات ساخت مرتبط با نانوحسگرهابسیاری از کسانی که برای تهیه این گزارش با آنها مصاحبه شد بر این نکته تأکید کردند که راهی طولانی از تهیه مدل‌های نانوحسگرها در آزمایشگاه‌های صنعتی، تا رسیدن به محصولاتی که در همه جا یافت شده و به‌راحتی خریداری می‌شوند، وجود دارد. در واقع امروزه بسیاری از نانوحسگرها در ابتدای این راه قرار دارند تا در انتهای آن.
عدم وجود ارتباط با دنیای واقعییکی از زمینه‌هایی که هنوز به نظر می‌آید احتیاج به تحقیق بسیار، به خصوص از لحاظ تجاری دارد، طریقه برقراری ارتباط بین ابزارهای دنیای امروزی و نانوحسگرها است. نانومواد و نانوالکترونیک مزایای زیادی ایجاد می‌کند که در بالا به آن اشاره شد، اما آنها احتیاج به ابزاری دارند که بتواند در اندازه‌های نانومتری با آنها ارتباط برقرار کرده و کار کند. این بدان معنی است که تأثیرات نانو می‌بایست به دستگاه‌های با ابعاد بالاتر انتقال داده شود و این خود به موارد زیر احتیاج دارد:
(1) سازگاری بسیار بالای CMOS که در نتیجه مواد حساس در ابعاد نانو و قطعات نانوالکتریکی را بتوان با روش‌های معمول میکروالکترونیک به صورت یک مدار مجتمع مونتاژ کرد. (2) ایجاد نوعی نرم افزار یا نیمه افزار که توانایی تحلیل داده‌هایی که از نانوحسگرها می‌آید را داشته باشد، لازم است.
مونتاژ نانوقطعات به نظر می‌آید مونتاژ نانوقطعات بیشتر از آن‌که به کوشش اقتصادی احتیاج داشته باشد به یک برنامه تحقیقاتی نیاز دارد. به منظور کاهش قیمت‌ها و گسترش استفاده از آرایه‌های بزرگ حسگرها یا توده حسگرها، می‌بایست فناوری ساخت مدارهای مجتمع نانومقیاس بهبود پیدا کند.
چرا مسأله زمان؟
مشکلات، بیش از آن‌که ناشی از فیزیک قضیه باشند، ناشی از نبود فناوری هستند. این معضلات دقیقاً همان مواردی هستند که تجاری‌شدن بعضی از فناوری‌های جدید پیچیده را با مشکل مواجه کرده‌اند. اما این مسائل با گذشت زمان حل خواهد شد. در واقع فقط یک مشکل باقی می‌ماند. شرکت نانومارکتز بر این باور است که آنچه واقعاً مانع پیشرفت بازار نانوحسگرها شده است عدم وجود ایده مشخص و واضحی برای صنایع می‌باشد که معلوم نمی‌کند به چه مقدار زمان احتیاج است تا بازار این وسایل رونق پیدا کند. این امر به نوبه خود مشکل بزرگی را برای سرمایه‌دار‌های خطرپذیر، بانک‌های سرمایه‌گذاری، کمیته‌های شرکت‌های داخلی و سرمایه‌گذاران خصوصی ایجاد می‌کند.
در مطالعات اخیری که انجام شد، ما موضوع زمان حصول نتیجه را در سطوح مختلفی مورد تحلیل قرار دادیم و به این نتیجه رسیدیم که به علت طبیعت خرد و متنوع بازار نانوحسگرها، پیداکردن جوابی برای مسأله زمان بسیار دشوار است.
البته برای هر بخش از بازار (و طبعاً برای هر دسته از مشتریان این محصول) جوابی به دست آمده تا بتوان به کمک آن دورنمای کلی از قضیه پیدا کرد؛ هرچند که این کار زیاد خوشایند نیست.
در تحقیق نانومارکتز فرض شده است که نانوحسگرها در 10 بخش مختلف صنعت به کار گرفته شوند در هر بخش کاربرد شبیه به هم را پیدا خواهند کرد (و در این صنایع از 7 نوع حسگر استفاده شود؛ حسگرهای گاز، حسگرهای زیستی و...) و نیز از 8 روش مختلف چه از جنبه موادی استفاده شود (مانند نانوذرات، پوشش‌های نانو، اسپینترونیک و...) در نتیجه 560= 8×7×10 نوع محصول و 560 مشتری برای این بازار به‌دست می‌آیند. در بررسی رابطة زمان، بر این باور هستیم که می‌بایست پتانسیل هر کدام از این مشتری‌ها را به شکل زیر تحلیل کنیم.
اختلاف در پذیرش سناریوهای نانوحسگرها در هر بخش از صنعت
ما تمام بخش‌های عمده صنایع مختلف را به منظور احتمال گسترش نانوحسگرها در آنجا مورد بررسی قرار دادیم. فاکتورهایی که در نظر گرفته شد به قرار زیر بودند: تمایل به پذیرش فناوری جدید، میزان حساسیت به قیمت تمام‌شده، طول دوره تولید و مهمتر از همه توانایی منحصر به فرد نانوحسگرها که باعث می‌شود واحد به خصوصی به آنها احتیاج مبرم پیدا کند.
زمان انتظار برای پذیرش نانوحسگرها بسیار متفاوت است. برای مثال مدت زمانی که طول می‌کشد تا نانوحسگرها توسط بخش‌های اجرایی پزشکی و نظامی پذیرفته شوند بسیار کوتاه است زیرا به حسگرهای بسیار کوچک و بسیار حساس در اینگونه صنایع احتیاج فراوان است. همچنین به نظر می‌رسد که نانوحسگرها بتوانند مناسب‌بودن قیمتشان را در مقایسه با فناوری‌های دیگر به اثبات برسانند. با این حال پیش‌بینی می‌شود در صنعت اتومبیل‌سازی پذیرش نانوحسگرها احتیاج به زمان طولانی‌تری داشته باشد، زیرا کاربرد آنها در این صنعت خیلی شفاف نیست و نیز شرکت‌های اتومبیل‌سازی نسبت به قیمت تمام‌شده در مقایسه با صنایع دیگر حساس‌ترند.
وجود الگوی کاربرد برای حسگرها در هر بخش از صنعت
در بعضی از بخش‌های صنایع مثلاً صنعت اتومبیل، هم‌اکنون به صورت گسترده از حسگرها استفاده می‌شود و احتمال دارد که نانوحسگرها بتوانند جایگزین حسگرهای کنونی در این صنعت شوند. اگر بتوان این صنایع را قانع کرد که استفاده از نانوحسگرها توجیه اقتصادی دارد، ممکن است حسگرهای خود را بفروشند و به جای آنها از نانوحسگرها استفاده کنند.
در بخش‌های دیگر، ایدة استفاده از تعداد زیادی حسگر ممکن است ایدة تازه‌ای باشد. مثال خوبی که می‌توان در اینجا ذکر کرد بخش فناوری اطلاعات است. در اینجا هم مشتریان و هم عرضه‌کنندگان به اهمیت نقش حسگرها (نانوحسگرها یا حسگرهای معمولی) در موفقیت اقتصادی گسترده رایانه‌ها پی می‌برند. این امر می‌تواند پتانسیل کاهش نظم [گسترش] نانوحسگرها را در این بخش ایجاد کند. همچنین الگوی استفاده از انواع حسگرها می‌بایست در نظر گرفته شود. نانوحسگرهایی که به عنوان آشکارکننده گازها به کار می‌روند ممکن است در بسیاری از بخش‌های صنعت جایی برای خود باز کنند ولی نانوحسگرهای تشعشعی بیشتر برای بخش‌های انرژی و نظامی مفید هستند و نقش ضعیف‌تری را در فناوری اطلاعات بازی می‌کنند.
تفاوت در توسة پلاتفرم‌های مختلف نانوتکنولوژی برای ساخت نانوحسگرها
همچنان که در بالا اشاره کردیم، در بسیاری از نانوحسگرهای امروزی، نانوذرات مختلف از انواع فلزهای گرانقیمت گرفته تا خاک رس به کار می‌روند. در این میان می‌توان گفت نانوحسگرهایی که فناوری آنها بر پایه اسپینترونیک و الکترونیک نانولوله‌ای می‌باشند، در مراحل اولیه تجاری‌شدن قرار دارند. حسگرهای مبتنی بر نقاط کوانتومی نیز در انتهای مسیر فرآیند تجاری‌شدن قرار گرفته‌اند.
برخی از افرادی که برای تهیه این گزارش با آنها مصاحبه کردیم، اظهار داشتند که از این نانوحسگرها می‌توان به عنوان پایه حسگرهای توده‌ای شکاری استفاده کرد، اما همگی موافق بودند که تجاری‌شدن آنها به دهه بعدی موکول می‌شود.
با در نظر گرفتن فاکتورهای فوق و جمع بندی آنها می‌توان در هر بخش از صنعت، بازار خاصی را برای حسگرها به صورت تخمینی در نظر گرفت و حتی این امکان وجود دارد که بتوان پتانسیل‌های آینده نانوحسگرها را در هر بخش از صنعت با اعداد بیان کرد. نه تنها می‌توان میزان مصرف نانوحسگرها را در بخش‌های مختلف به‌دست آورد بلکه می‌توان انواع حسگرهایی که بعدها توسط هر بخش به کار گرفته خواهند شد را تعیین کرد.
جدول ذیل بخش‌هایی را نشان می‌دهد که بر اساس گزارش جدید نانومارکتز مورد تحلیل قرار گرفته‌اند.
آنالیز نهاییاین نوع نمایش بازار هم واضح و هم واقع‌گرا است. وضوح آن به این دلیل است که مواردی واقعی را نشان می‌دهد که در آن فرصت‌هایی بر پایه معیار سرمایه‌گذاری وجود دارد. سایر معیارها ممکن است نتایج مختلفی بدهند اما در این مثال خاص فرصت‌های چندین بخش کاربردی که در آنها از نانوحسگرها استفاده خواهد شد را نشان نداده‌اند. همچنین واقع گرایی آن به خاطر نشان دادن مقدار واقعی بازارهای قابل دسترس و موقعیت‌های مدل‌های تجاری است که می‌توانند بر پایه آن ایجاد شوند.
شرکت نانومارکتز بر این باور است که نانوحسگرها، حسگرهای معمولی را از گردونه رقابت در بازار خارج خواهند ساخت. هر چند پیش‌بینی می‌کنیم که نانوحسگرها تا سال 2010 بیشتر از 10 درصد بازار حسگرها را به خود اختصاص نداده باشند، ولی اندازه بازار حسگرها به حدی وسیع است که حتی حداقل رشد نانوحسگرها در این بازار به معنی کسب درآمدی معادل چند میلیارد دلار خواهد بود و این مقدار فقط ظرف مدت چند سال به دست خواهد آمد. در دست داشتن این مقدار از بازار شانس خوبی را برای رسیدن به چنین هدفی ایجاد می‌کند.

منابع :
http://nano.ir/
http://www.irche.com
www.sharghian.com

بکارگیری فناوری نانو در صنایع غذایی

بکارگیری فناوری نانو در صنایع غذایی
فرض کنید ظهر یکشنبه است و شما بسیار تشنه هستید. سراغ یخچال می روید، اما مردد هستید که چه چیزی را انتخاب کنید. از یک سو، می‌دانید که آب میوه دارای ویتامین های فراوانی است و برای بدن شما مفید است، از سوی دیگر، به نوشیدن نوشابه تمایل زیادی دارید و علاوه بر این می خواهید این نوشیدنی هر چه که هست چند ساعتی شما را بیدار نگه دارد، چون کارهای عقب ماندۀ زیادی دارید که ترجیح می دهید آنها را به هفتۀ بعد موکول نسازید.
بنابراین، یک بطری حاوی مایعی بی رنگ را بر می دارید. ابتدا دکمه ای را برای انتخاب نوشابه فشار می دهید، پس از آن نوبت اضافه کردن افزودنی هاست؛ ویتامین C و کافئین را هم از قسمت افزودنی ها انتخاب می کنید. با فشار دادن این دکمه ها، نانو کپسول های بسیار کوچک حاوی مواد افزودنی مورد نظر شما در سطح محلول آزاد می شوند و این در حالی است که نانو کپسول های دیگر حاوی سایر افزودنی ها و طعم دهنده هایی که شما انتخاب نکرده اید، به صورت کپسول آزاد نشده و در محلول باقی می مانده اند.
غذاهای نانوییمحققان صنعت غذایی نانو در حال کار بر روی چنین غذاهایی هستند، اما به زعم فرانس کمپرز رئیس مرکز بین المللی زیست فناوری و سلامت، هنوز برای نیل به این مقصود در صنعت غذایی راه زیادی در پیش است. وی معتقد است که هدف سالم تر، ایمن تر و ماندگارتر کردن مواد غذایی پدیدۀ جدیدی در این صنعت نیست و سال هاست که دانشمندان با دستکاری و کنترل گیاهان و سایر حیواناتی که انسان از آنها تغذیه می کند، سعی در ارتقای کیفیت و خواص مواد غذایی دارند؛ اما آنچه که در این صنعت جدید است، امکان اعمال تغییر در مواد غذایی آماده و اضافه کردن افزودنی های مورد نظر در اندازه های بسیار ریز و دستکاری محتویات فیزیکی مواد غذایی است. در مقیاس نانو، مولوکول ها بیشتر از قوانین کوانتوم پیروی می کنند تا از قوانین فیزیک در مقیاس بزرگ. ترکیبات غیر قابل حل در آب یا روغن در مقیاس نانو به راحتی حل می‌شوند، حتی این امکان وجود دارد که موادی که عموماً پس از مصرف در معده آزاد می شوند، به صورت آزاد نشده به طرف روده هدایت شوند و از آنجا مستقیما جذب شده و وارد گردش خون شوند. به عقیدۀ کمپرز تا پنج الی ده سال آینده، این فرایند کاملاً کاربردی می شود، به خصوص در مورد افزودن مواد غذایی‌ای مانند ویتامین ها و املاح معدنی. ساده ترین و کاربردی ترین روش اجرای این کار، فرایند نانو کپسوله کردن است. این تکنیک از روی عملکرد غشای سلولی در طبیعت الگوبرداری شده است. با استفاده از این تکنیک، بشر موفق به ساخت محفظه های کیسه ای شکلی در ابعاد بسیار کوچک نانویی خواهد شد که درون آنها فضایی خالی برای مواد غذایی تعبیه شده است، لایۀ بیرونی این کپسول بسته به اینکه لازم است مواد داخل کپسول در آب یا در روغن حل شوند، طراحی می شوند. این کپسولها در برابر اسید معده مقاوم هستند و بسته به ضوروت می توانند در دهان یا در معده باز شوند. در واقع، فرآیند نانو کپسوله کردن به این معنا است که این امکان وجود دارد که مواد غذایی مفید برای بدن بدون اینکه در فرایند ساخت در کارخانه یا هنگام پخت در آشپزخانه و یا توسط آنزیمهای دهان و معده از بین بروند، این کپسول ها به طور مستقیم وارد جریان خون شده و در نتیجه، جذب بدن شوند. این کار حتی مانع از دفع بدون جذب ویتامین های مواد غذایی می شود. یکی دیگر از کاربردهای نانو کپسوله کردن این است که مواد غذایی مفید ولی با طعم های نامطبوع مانند روغن ماهی را می توان از طریق این کپسول ها بدون احساس مزۀ ناخوشایند به غذا اضافه کرد.
نانوغذاهای ایمن و بی‌خطراختراعات فناوری نانو در محصولات غذایی منجر به ورود محصولات جدید و بدیعی به بازار شده است.در طی چند سال اخیر فناوری‌نانو به عنوان جزء مهمی از صنعت غذا تبدیل شده است. شرکت‌های مطرح در صنایع غذایی به تحقیق و توسعه در این زمینه پرداخته‌اند و انتظار می‌رود اولین موج محصولات در آینده نزدیک به بازار وارد شود. این مقاله نگاهی به تلاش چند شرکت در زمینه نانوغذاهاست که خوانندگان را با قسمتی از پیشرفت‌های ‏جدید در این عرصه آشنا می‌کند. ‏
در طی چند سال اخیر فناوری‌نانو به عنوان جزء مهمی از صنعت غذا تبدیل شده است. شرکت‌های مطرح در صنایع غذایی به تحقیق و توسعه در این زمینه پرداخته‌اند و انتظار می‌رود اولین موج محصولات در آینده نزدیک به بازار وارد شود. البته این تنها شروع است و یقیناً فناوری‌نانو در این عرصه راهی طولانی در پیش خواهد داشت.
بنابر یک پیش بینی اقتصادی به وسیله تحلیل گران، بازار نانوغذاها از 6.2 میلیارد دلار فعلی به 7 میلیارد دلار در سال آینده و به 4.20 میلیارد دلار در سال 2010 خواهد رسید .
فناوری‌نانو می‌تواند در خط تولید به منظور ایجاد ریزحسگرها و ماشین‌های تشخیص به‌کار رود و تولید غذاهای فاقد آلودگی را تضمین کند. این نانوابزارها در تشخیص میکروب‌های مضر و تعیین زمان ماندگاری محصول نیز کاربرد دارند و به مدیران در اتخاذ تصمیمات راهبردی مانند انتخاب بهترین روش حمل و نقل و انبار محصولات کمک می‌کنند. به گفته کامپرز، مدیر برنامه بیو فناوری‌نانو در دانشگاه واخنینگن، استفاده از فناوری‌نانو به منظور تضمین کیفیت فرآورده‌های غذایی، یقیناً به نفع مصرف‌کننده است؛ البته نانوحسگرها و تشخیص‌دهنده‌های روبوتیک فعلاً فقط در مراکز تحقیقات به‌کار می‌روند، اما پیش‌بینی می‌شود اولین سری این ماشین‌ها در طی 4 سال آینده در محصولات غذایی ظاهر ‌شوند .
در حال حاضر شرکت‌‌های زیادی مانند Nestle، Food،Hershey، Keystone و Unilever مشغول کار روی نانوغذاها هستند.
گزارش شده است Nestle و Unilever امولوسیون‌هایی از نانوذرات را کشف کرده‌اند که باعث یکنواخت‌تر شدن بافت غذا شده، و می‌توان در تولید محصولاتی مانند بستنی از آنها استفاده کرد. دیگر پروژه‌های این شرکت، کار روی نانوکپسول‌هایی حاوی غذاهای غنی شده است که مواد مغذی و آنتی اکسیدانت‌ها را به تدریج به بخش‌های خاصی از بدن تحویل می‌دهند. این فناوری موادغذایی قدیمی را به ذراتی در ابعاد نانو تبدیل می‌کند که در داخل بدن رها شده و به خوبی جذب می‌شوند. این فناوری در غذاهای جدید کاربرد زیادی خواهد داشت.
یکی دیگر از شرکت‌های پیشگام در توسعه نانوغذاها، شرکت Kraft است که با تأسیس کنسرسیوم نانوتک (Nanotek) در سال 2000 اولین گام‌های ورود فناوری‌نانو به صنعت غذا را برداشت. این کنسرسیوم مجموعه‌ای از 15 دانشگاه و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی ملی است و بیشتر در زمینه تهیه انواع غذاهای تعاملی و فرآورده‌های نوشیدنی فعالیت می‌کند که با ذائقه‌ و نیازهای فردی مصرف کننده سازگار باشد و دامنه وسیعی، از نوشیدنی‌های تغییر رنگ‌دهنده تا غذاهای جدید سازگار با حساسیت مصرف‌کننده (یا نیازهای تغذیه‌ای او) را در برمی‌گیرد. فعالیت دیگر این شرکت، تهیه نانوفیلترهایی است که مولکول‌ها را بیشتر بر اساس شکل و نه بر حسب اندازه غربال می‌کنند، و این مسئله تفکیک اجزای خاصی از یک فرآوده، حتی در دست مصرف کننده را امکان‌پذیر می‌سازد.
از دیگر اهداف این شرکت، کار روی بسته‌بندی‌های هوشمند غذایی است. از نانوحسگرهایی که به رهایش مواد شیمیایی ناشی از فساد غذاها حساس هستند می‌توان در بسته‌بندی‌های هوشمند استفاده کرد، تا به محض شروع خراب شدن غذا، رنگ بسته‌بندی تغییرکرده، به مشتری هشدار می‌دهد. این سیستم به مراتب دقیق‌تر و مطمئن‌تر از فروش با تاریخ مصرف است .
یکی دیگر از شرکت‌‌های فعال در زمینه نانوغذا، NutraLease است که روی فناوری غذاهای غنی شده تحقیق کرده و جهت افزایش رهایش زیستی (Biodelivery) مواد غذایی، از نانوکپسول‌ها استفاده می‌کند. این فناوری در نوعی روغن آشپزی به‌کار برده شده است که از استرول‌های گیاهی به منظور کاهش جذب کلسترول و کاهش خطر بیماری‌های قلبی استفاده می‌کند. بر اساس گزارشی این فرآورده باعث کاهش حدود 14درصد ازمیزان کلسترول LDL می‌شود.
شرکت Oil Fresh از اجزای نانوسرامیکی در تهیه ماهی‌تابه‌های رستوران‌ها استفاده می‌کند که باعث کاهش زمان سرخ کردن و مصرف روغن می‌شود. استفاده از این فرآورده به رستوران‌ها اجازه می‌دهد که از روغن‌های گیاهی به جای روغن‌های هیدروژنه استفاده کنند و در نتیجه میزان چربی‌های ترانس کاهش یافته و غذاهای سالم‌تری به دست می‌آید.
شرکت دیگری به نام Voridian از ترکیباتImpern نانوکامپوزیت ها در ساخت بطری‌های پلاستیکی نوشیدنی‌ها استفاده کرده است. Impern نوعی پلاستیک است که با نانوذرات خاک رس آمیخته و پلاستیک‌هایی به سختی شیشه ولی محکم‌تر را به وجود آورده است، که نسبت به شیشه شکنندگی کمتری دارند. لایه نانوذرات به‌گونه‌ای طراحی شده‌ که فرار مولکول‌های دی‌اکسیدکربن از نوشیدنی و نفوذ مولکول‌های اکسیژن به درون نوشیدنی جلوگیری کرده، در نتیجه باعث حفظ تازگی و افزایش زمان ماندگاری محصول می‌شود.
یکی دیگر از شرکت‌های فعال در این زمینه Nanocor است. این شرکت مهم‌ترین تولیدکننده نانوکامپوزیت های پلاستیکی است. این پلاستیک‌ها ویژگی‌های ویژه‌ای از جمله ایجاد مانع بهتر برای جریان اکسیژن و دی‌اکسیدکربن دارد، که منجر به افزایش زمان نگهداری محصولات نانوکامپوزیت پلاستیک مقاوم می‌شود. همچنین این پلاستیک‌ها از پخش بو جلوگیری کرده، مانع جذب طعم یا ویتامین‌های موجود در غذا به وسیله بسته‌بندی می‌شوند. به طور کلی طراحی مولکولی این پلاستیک‌ها به‌گونه‌ای است که مقاومت محصولات را در برابر آتش و ثبات ساختار آنها را در برابر حرارت بهبود می‌بخشد. به عنوان مثال این مواد در سبدهایی برای جوشاندن مواد غذایی و بسته‌بندی‌هایی برای استفاده در مایکروویو کاربرد دارد. نانوکامپوزیت‌های پلاستیکی در بسته‌بند‌ی های جدید مواد غذایی نیز قابل استفاده هستند .
از دیگر محصولات کلیدی، حسگرهای بویایی الکترونیکی (بینی الکترونیکی) و هم خانواده جدیدتر آنها حسگرهای چشایی الکترونیکی (زبان الکترونیکی) هستند. این وسایل از زبان و بینی انسان تقلید می‌کنند با این تفاوت که نسبت به طعم‌ها و بوهای ناچیز حساسیت بیشتری دارند.
بینی الکترونیکی آرایه‌ای از حسگرهای گازی در مقیاس نانو است و سطح بالای نانوذرات اجازه عبور بیشترین گاز ممکن از روی آنها را می‌دهد. این فناوری به همراه فناوری تشخیص الگویی، امکان ایجاد یک اثر انگشت دیجیتالی از هر بوی خاص را فراهم می‌کند. این محصولات در آزمایشگاه‌هایی از جمله NASA برای تشخیص مواد شیمیایی در حد ناچیز استفاده شده‌اند؛ اما در حال حاضر در صنایع غذایی جهت کنترل بهترین سطح تولید شده غذاها به‌کار می‌روند. این محصولات همچنین در جهت تشخیص آلاینده‌ها و تجزیه‌ کیفی و کلی‌ غذا مؤثر هستند.
در حال حاضر بعضی شرکت‌ها نوعی زبان الکترونیکی را به کار می‌برند که شامل آرایه‌ای از حسگرهای مایع (الکترودهای پوشش داده شده با پلیمرهای هادی) به همراه فناوری تشخیص الگویی است که قادر به تشخیص طعم‌های ویژه از هم می‌باشد. از کاربردهای مهم این زبان، آزمون چشایی نوشیدنی‌ها مانند آب میوه‌ها، شیر، قهوه، آب معدنی و نوشابه‌ها و همچنین توانایی چشیدن مواد شمیایی در حد PPT است و هزینه تولید آن در حدود 50 سنت می‌باشد. یقیناً این زبان نقش حیاتی خود را در مطالعات غذایی پیدا خواهد کرد. حسگر چشایی، در بسته‌بندی گوشت قادر به تشخیص اولین نشانه‌های فساد مواد غذایی بوده و با تغییر رنگ، فساد ماده غذایی را هشدار می‌دهد.
نوع دیگر فناوری حسگرها، نانوبارکدها هستند که به وسیله شرکت Nanoplex Technologies تولید شده‌اند. نانوبارکدها مدل مولکولی بارکدهای سنتی است و شامل نانوذرات فلزی می‌باشند که اثر انگشت شیمیایی قابل شناسایی و خاصی دارند و می‌توانند از طریق یک ماشین (احتمالاً یک لامپ UV یا میکروسکوپ نوری) تشخیص داده شوند. این نوع بارکدها می‌توانند برای حفاظت مارک و ارزیابی غذاهایی که در حالت عادی نمی‌شود بارکدهای سنتی را روی آنها چسباند، استفاده شود. آنها همچنین برای تشخیص پاتوژن‌ها در غذا مانند E. coli مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت تشخیص پاتوژن‌ها از دیگر اهداف اصلی فناوری‌نانو در صنایع غذایی است.
هانگ نیز روی نانو حسگرهای زیست‌شناسانه کار کرده است. این حسگرها قادرند مقادیر اندک پاتوژن‌ها در غذا را تشخیص دهند. همچنین امکان استفاده از آنها در مراکز نگهداری و حمل و نقل غذا به منظور کنترل دقیق در مقیاس مولکولی وجود دارد. وی همچنین روی غذاهایی که ”عملکردی“ نامیده می‌شوند کار کرده و نقش مواد مغذی که موجب سلامت و مانع از بیماری‌ می‌شوند را کشف کرده است.
هانگ می‌گوید:«بسیاری از غذا‌ها به صورت ذاتی قادر به جلوگیری از بیماری‌ها هستند مثل چای سبز، هسته انگور و زنجبیل؛ اما مسئله این است که مصرف مستقیم این غذاها فایده‌ای برای بدن نداشته و بدن نیز به سختی آنها را جذب می‌کند؛ بنابراین به یک سیستم تحویل نیاز داریم که دسترسی زیستی آنها را افزایش دهد.«
او به خصوص به جلوگیری از دیابت و چاقی علاقه‌مند است و این سؤال را مطرح می‌کند که چطور می‌توان از غذاهایی مانند بستنی و شکلات‌های خوش طعم استفاده کرد به صورتی که موجب چاقی نشوند؟
در جواب باید گفت استفاده از مواد فیبری و کربوهیدرات‌ها به جای چربی می‌تواند به حل این مسئله کمک کند و برای دیابت نیز باید جایگزین‌های بهتری را برای شکر پیدا کرد.
اگر هانگ یا دیگران بتوانند موفق به ایجاد غذاهایی خوش طعم ولی حاوی مواد جایگزین چربی شوند و یا با به‌کارگیری نانوذرات مانع از جذب و ذخیره‌سازی چربی و کالری به‌وسیله بدن گردند، هدف نهایی را در غذا به دست آورده‌اند.
هانگ می‌گوید:»شرکت‌‌های زیادی درباره غذایی که شما را سیر کند ولی تأثیری روی وزن نداشته باشد، تحقیق می‌کنند ولی به دلیل توافق‌های محرمانه هنوز جزئیات فاش نشده است « .
گرچه دسترسی به این فناوری جدید آسان است، اما به دلیل گران بودن محصولات، ورود آن به بازار به این سرعت امکان‌پذیر نیست. البته این مشکلات قابل حل هستند و به زودی شاهد هجوم فرآورده‌های فناوری‌نانو از فرآورده‌هایی مؤثر برای ایمنی و سلامت گرفته تا غذاهای قابل برنامه ریزی و مطابق با سلیقه افراد، به صنعت غذا خواهیم بودکه نتایج شگفت‌آوری را در بر خواهند داشت، فقط باید امیدوار باشیم که یک ترس عمومی مانع از موج ابداع نشود همان‌گونه که برای غذاهای اصلاح شده ژنتیکی این اتفاق افتاد.
جمع‌بندی: در طی سه سال گذشته، تأثیر عمیق فناوری‌نانو در صنایع غذایی و بسته‌بندی به اثبات رسیده است. اکنون بیش از 300 فرآورده نانوغذایی در بازارهای جهانی موجود است. این موفقیت شگفت انگیز، منجر به سرمایه‌گذاری‌های هنگفتی در زمینه R&D در نانوغذا شده است. امروزه فناوری‌نانو یک شایعه پوچ نیست، بلکه حقیقتی لازم الاجرا در صنایع غذایی است و هر شرکتی که بخواهد در صنایع غذایی پیشگام باشد، باید کار با فناوری‌نانو را سریعاً شروع کند .
در حال حاضر بیش از 400 شرکت در سراسر دنیا در امر تحقیق، توسعه و تولید نانوغذاها فعالیت می‌کنندکه در صدر آنها، ایالات متحده امریکا، ژاپن و چین قرار دارند. تا سال 2010، آسیا با 50 درصد جمعیت دنیا، به بزرگ‌ترین بازار نانوغذا تبدیل می‌شود و چین نیز در موقعیت پیشگام قرار خواهد داشت .
پیشرفت بیشتر در رمزگشایی DNA و آنالیز آن، صنایع را قادر به پیش‌بینی، کنترل و بهبود محصولات کشاورزی می‌کند. تلفیق این فناوری با فناوری دستکاری مولکول‌ها و اتم‌های غذا، روش قدرتمندی را در اختیار صنایع غذایی می‌گذارد تا غذاهایی با قابلیت بسیار بیشتر و هزینه‌ای کمتر را طراحی کنند.
پرسشهای باقیماندهبا وجود تمام این مزیت ها این حقیقت که این ذرات بسیار ریز می توانند از سد سیستم دفاعی بدن نیز بدون هیچ مانعی عبور کنند، موجب نگرانی دانشمندان شده است. دونالد بروس شیمیدان و رئیس مرکز مطالعات تکنولوژی های جدید اسکاتلند خاطر نشان می کند که مشکل اینجا است که این ذرات بسیار کوچک در کپسول ها به راحتی قادرند از غشای خونی دیوارۀ مغز و همچنین دیوارۀ سلول ها که به طور معمول مواد دیگر امکان عبور از آنها را ندارند، عبور کنند. البته این امر به این معنا نیست که چنین فرآیندی لزوماً خطرناک است، اما ماسله این است که هنوز تأثیرات آن به طور کامل مورد مطالعه و بررسی قرار نگرفته و ناشناخته است. دیوید بنت رئیس کمسیون اروپایی نانو بیوتکنولوژی در این باره می گوید: «با اینکه سیستم ایمنی بدن از بدو تولد می تواند با بسیاری از نانوذرات مضر برای بشر، مانند ذرات موجود در دود سیگار مقابله کند، اما این موضوع نباید باعث شود که ما بدون انجام تحقیقات گسترده بر روی اثرات ناشناختۀ نانو کپسول ها آنها را به بازار وارد کنیم.»
ضرورت بکارگیری فناوری نانو در علوم کشاورزی و صنایع غذایی:
طبق آخرین گزارش سازمان ملل متحد ، حدود 800 میلیون نفر از جمعیت جهان دچار فقر غذایی هستند ، شمار افراد قرار گرفته در زیر خط فقر (از نظر تامین انرژی مورد نیاز روزانه ی بدن) روز به روز در حال افزایش است.
جدید ترین پیش بینی ها حاکی از آن است که این آمار تا سال 2020 میلادی به رقمی بالغ بر یک میلیارد نفر خواهد رسید و این بدان معنا ست که حفظ نوع بشر در بلند مدت و نجات خیل عظیم انسان ها از خطر گرسنگی ، نیازمند توجه ویژه ی متخصصان و سیاست مداران امروز جهان به توسعه ی پایدار و همه جانبه ی صنعت کشاورزی است.
همان طور که می دانید ورود نسل اول فناوری ها به عرصه ی کشاورزی ، در چند دهه ی گذشته منجر به وقوع انقلاب سبز و گذر از کشاورزی سنتی به کشاورزی صنعتی گردید ، در این دوره افزایش چشمگیری در کیفیت و کمیت محصولات کشاورزی صورت گرفت که البته در کنار آن استفاده ی بی رویه از منابع مشکلاتی را نیز در پی داشت.
اکنون با گذشت سالها از وقوع انقلاب سبز و کاهش مجدد نسبت رشد تولیدات کشاورزی به جمعیت جهان ، لزوم به کارگیری فناوری های جدید در صنعت کشاورزی پیش از هر زمان دیگری آشکار است.
در این بین فناوری نانو به عنوان یک فناوری بین رشته ای و پیشتاز رفع مشکلات و کمبود ها در بسیاری از عرصه های علمی و صنعتی ، به خوبی جایگاه خود را در علوم کشاورزی و صنایع وابسته آن به اثبات رسانیده است. فناوری نانو کاربرد های وسیعی در همه مراحل تولید ، فراوری ، نگهداری ، بسته بندی و انتقال تولیدات کشاورزی دارد.
ورود فناوری نانو به صنعت کشاورزی و صنایع غذایی متضمن افزایش میزان تولیدات و کیفیت آن ها ، در کنار حفظ محیط زیست و منابع کره ی زمین می باشد.
در ادامه نگاهی دقیق تر به کاربرد های گسترده ی فناوری نانو در هریک از زیر شاخه های صنعت کشاورزی داریم.
کاربردهای نانو در زراعت :- کشاورزی دقیق (خاص مکانی)
بطور کلی کشاورزی‌ دقیق یک نوع نگرش جدید در مدیریت مزرعه است. امروزه با استفاده از نانو سنسورها مشخص می شود که هر قسمت کوچک از مزرعه به چه میزان عناصر غذائی و سم نیاز دارد و بدین وسیله از آلودگی‌ محیط زیست جلوگیری‌کرده ، سلامت محصولات و افزایش بازده اقتصادی‌ راممکن می سازد.
نانو سنسور ها می توانند با کنترل دقیق وگزارش دهی به موقع نیاز های گیاهان به مرکز پردازش اطلاعات سیستم را در نگهداری محصولات یاری نماید.
- ایجاد گلخانه‌های کم‌هزینه‌تر با هدف صرفه‌جویی در مصرف انرژی و دوام بیشتر در برابر رطوبت
ساختارهای نانویی می توانند گلخانه هایی در حجم کم اما انبوه پدید آورند که تقریباً با اندازه ای برابر 10 درصد کل مزارع زیر کشت در حال حاضر ، می توانند جمعیت کنونی جهان را تغذیه نمایند. در این صورت میلیونها هکتار از زمین های کشاورزی به محیط های طبیعی برای سکونت حیوانات در سراسر جهان باز گردانده می شوند .
کاربردهای نانو در اصلاح نباتات :
- انتقال ژن های مورد نظر به سلول های گیاهی با استفاده از نانومواد
در این روش از سامانه ی رسانش نانوذرات طلای پوشیده با DNA یا RNA بداخل سلول استفاده می شود.
- ساخت ابزارهای جدید برای بیولوژی سلولی و مولکولی
این ابزار ها جهت تعیین مولکول‌های خاص ، شناسایی و جداسازی آن ها استفاده می شوند و کاربری بسیاری دارند که از این بین می توان به موارد زیر اشاره کرد ؛
تکنولوژی و علم تولید مثل ، اصلاح نژاد حیوانات و گیاهان ، تبدیل ضایعات به انرژی و محصولات جانبی مفید و علم و تکنولوژی کودسازی
- اصلاح بذور به شیوه اتمی
کاربردهای نانو در تولید سموم و کود های موثر و کم خطر :
ذرات سموم کشاورزی به وسیله عواملی از قبیل باد ، وارد هوا شده و با ورود به سیستم تنفسی انسان ، آن را در معرض انواع بیماری های استنشاقی قرار می دهد ، تحولات نانوفناوری ، با افزایش میزان سوددهی و کاهش عوارض سموم کشاورزی ، معضلات ناشی از این سموم را رفع می کند و آنها را به محصولاتی کاملاً مفید تبدیل می کند.
- تولید سموم و کودهای شیمیایی با استفاده از نانوذرات و نانوکپسول ها
این نسل از سموم و کود ها قابلیت رهایش کنترل شده یا تاخیری ، جذب و تاثیرگذاری بیشتر و سازگاری با محیط زیست را دارا هستند.
- تولید کریستالهای نانویی جهت افزایش کارایی استفاده از آفت‌کش‌ها
استفاده از کریستالهای نانویی امکان کاربرد آفت‌کش‌ها با دُز های کمتر را فراهم می آورد و این یعنی به حداقل رساندن ورود این ترکیبات خطرناک به طبیعت.
-تولید نانوکودها (Nanofertilizers)
این ترکیبات نانویی به سرعت و به صورت کامل جذب گیاه شده و به خوبی نیازها و کمبود های غذایی آن را مرتفع می سازد.
کاربردهای نانو در گیاه پزشکی :- کنترل فعالیت های اجزای سلولی گیاهان بدون آسیب رسانی به آنها
شیوه های کنونی برای بررسی سلول ها بسیار ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در سلول اتفاق می افتد ناگریزند سلول ها را از هم بشکافند و در این حال بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانهای موجود در آن از بین می رود. پیشرفت های نانوفناوری بطور خاص مطالعات بنیادی زیست شناسی را تقویت خواهد کرد.
محققان امیدوارند در آینده ای نه چندان دور با استفاده از نانوفناوری موفق شوند فعالیت اجزای هر سلول را تحت کنترل خود در آورند.
هم اکنون گام های بلندی در این زمینه برداشته شده ، به عنوان نمونه دانشمندان میتوانند فعالیت پروتئین ها و مولکول D.N.A را در درون سلول کنترل کنند.
به کمک نانوفناوری روش جدیدی برای بررسی بیان ژن و آنالیز mR.N.A سلولهای زنده بدون مرگ یا تخریب آنها با استفاده از میکروسکوب نیروی اتمی AFM ارائه شده است.
- حسگرهای هوشمند و سیستم‌های حمل هوشمند
به منظور ردیابی و مبارزه ی سریع و مفید با ویروس‌ها و سایر عوامل بیماریزا گیاهی به کار می روند.
- تیمار مولکولی بیماریها، ردیابی سریع بیماریها، افزایش توانمندی گیاهان برای جذب مواد مورد نیاز
کاربردهای نانو در تصفیه ی آب و ادوات آبیاری:
- نمک زدایی و تصفیه ی اقتصادی تر آبها جهت شرب و کشاورزی
سازمان ملل پیش بینی کرده که در سال 2025 میلادی ، 48 کشور جهان (معادل 32% جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی و کشاورزی می شوند، تخلیص و نمک زدایی آب به کمک نانوفناوری از زمینه های مورد توجه در دفاع پیشگیرانه و امنیت زیست محیطی است.
سامانه های نانویی طراحی شده می توانند آب دریا را با صرف انرژی 10 برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس، و 100 برابر کمتر از دستگاه تقطیر،نمک زدایی کنند.
استقاده از نانو ذرات و نانوفیلترها امکان تصفیه و بهسازی آب را با سرعت و دقت بیشتر فراهم می کند همچنین استفاده از نانو فیلترها در حذف آلودگیهای میکروبی آب (Bioremediation) کاربری گسترده ای دارد.
- بی خطر ساختن مواد آلاینده آب و خاک و قابلیت بازیافت آنها
- ساخت سوپر جاذبهای آب از پلیمرها و مواد کامپوزیت
این مواد به منظور ذخیره و حفظ رطوبت بیشتر در خاک طراحی گردیده اند و استفاده از آنها به ویژه در مناطق خشک و کم آب در افزایش میزان عملکرد بسیار مفید خواهد بود.
- ساخت مواد پوششی جدید و کارا برای پوشش درون لوله های فلزی
این مواد پوششی به منظور جلوگیری از خوردگی ناشی از سیالات و کاهش زبری جداره لوله ها به کار می روند.
- بکار گیری پلیمرهاو مواد کامپوزیت برای تولید انواع قطره چکان
قطره چکان های ساخته شده با این مواد قابلیت تنظیم دقیق فشار آب را دارند همچنین به واسطه ی نوع مواد اولیه ی مورد استفاده این قطره چکان ها نسبت به نفوذ ریشه گیاه مقاوم هستند.
کاربرد های فناوری نانو در حوزه های زراعت ، اصلاح نباتات ، تولید سموم و کود ، گیاه پزشکی و آبیاری در این مقاله بررسی گردید ، امید که مطالب ارائه شده مورد استفاده ی علاقمندان این فناوری نوین قرار گرفته باشد.
در ادامه ی مقالات بررسی کاربرد های فناوری نانو در علوم کشاورزی و صنایع غذایی ، به کاربری نانو در حوزه های خاکشناسی ، ماشین آلات کشاورزی ، صنایع غذایی ، علوم دامی و شاخه ی مهم و پر اهمیت ذخیره سازی و انتقال تولیدات کشاورزی و صنایع غذایی می پردازیم
کاربردهای نانو در حوزه علوم دامیاستفاده از نانوذرات نقره (نانوسیلورها) در افزایش بهداشت دام و جایگاههای پرورش دام و طیور
نانوذرات نقره به عنوان ضدعفونی کننده قوی ( ضد یاکتری و ضد میکروب ) مطرح بوده و با توجه به پایداری آنها و عدم مصرف این ذرات (عدم نیاز به تهیه مجدد) استفاده از آنها در ضدعفونی کردن جایگاههای نگهداری دام و طیور کاربرد گسترده ای یافته است.
استفاده از نانوفیلترها به منظور فرآوری محصولات لبنی
در فرآوری محصولات لبنی، استفاده از فیلترها بسیار مرسوم است. نانوفیلترها، امکان عبور انتخابی ذرات خاص را فراهم آورده و از این رو فرآوری مورد نظر را ممکن می سازند.
استفاده از نانوکپسولها بعنوان پوششی برای آنزیمهای خوراکی و داروهای دامی
با توجه به کاربرد برخی آنزیمها و پروتئین های خاص در جیره های دام و طیور که بمنظور افزایش عملکرد و تاثیر در بافتی مشخص استفاده می شوند و معمولا در دستگاه گوارش بخوبی جذب نمی شوند، لذا استفاده از نانوکپسولها برای پوشش دار کردن و محافظت از آنها تا رسیدن به بافت هدف، موثر خواهد بود.
استفاده از نانوحسگرها در بخشهای مختلف سیستمهای پرورش دام و طیور و شناسایی انفرادی دامها
استفاده از نانوحسگرها و نانوبیوحسگرها در ماشین‌های شیردوشی
شتاب تحقیقاتی در اصلاح نژاد انواع دام ، طیور و آبزیان مؤثر
تولید خوراک‌های غیربیولوژیک و داروهای دامی
نانو واکسیناسیون DNA با استفاده از نانوکپسول‌ها و روش‌های التراسوند
کاربردهای نانو در حوزه صنایع غذایی
استفاده از نانوفیلتراسیون در صنایع غذایی به منظور تشخیص متابولیت های کنترل کیفی و تشخیص عوامل بیماریزا و تحولی اساسی در بسته بندی مواد غذایی و انبارداری
بهسازی ثبات مواد غذایی
این روش برای ترکیبات خاص فعال مثل طعم ها که با سایر ترکیبات مواد غذایی واکنش می دهند استفاده می شود و به این مواد عمر ماندگاری بالاتری می دهند
حفاظت در برابر اکسیداسیون مواد غذایی
تولید غذاهای مولکولی توسط رباط ها با سه عنصر اصلی اکسیژن، کربن و هیدروژن
کاربردهای نانو در حوزه ماشین آلات کشاورزی
کاربرد در پوششهای بدنه ادوات و ماشینها و ابزارهای کشاورزی و حتی شیشه ها برای افزایش در برابر خوردگی و سائیدگی و انعکاس امواج ماوراء بنفش
تولید قطعات مکانیکی مستحکم تر با استفاده از نانوروکش ها و استفاده از بیوحسگرها در ماشین آلات هوشمند جهت مبارزه مکانیکی – شیمیایی با علف های هرز
بهینه سازی میزان و شکل سموم مصرفی و وسایل سم پاشی
تولید روکش های نانویی یاتاقانها برای کاهش اصطکاک
تولید قطعات مختلف موتورماشینهای کشاورزی مقاوم به ساییدگی، خوردگی ، حرارت و کاهش اصطکاک
استفاده از آنها در تولید سوختهای جایگزین و آلودگی کمتر محیط زیست تا کنون محصولات مختلف نانویی در دنیا تولید شده و برخی از آنها به شکل تجاری در دسترس قرار گرفته است .
از جمله کارهای صورت گرفته در نانوتکنولوژی سبز می توان به موارد زیر اشاره کرد:
استفاده تایلند از این فناوری به منظور تولید نوع جدیدی از برنج (بی تفاوت نسبت به طول شب ، پاکوتاه و معطر ) و ابریشم ( ضد آب و با قدرت جذب کمتر گرد و غبار)
تولید نوعی نانوبرنج توسط شرکت نانورایس ایتالیا که 2 برابر وزن خود آب جذب می کند .
تولید نانو کودها و نانو سم ها در مقیاس آزمایشگاهیدر ایران نیز موسسات مختلفی در این زمینه در حال کار می باشند . که از این بین می توان به پژوهشکده مهندسی جهاد اشاره نمود که با محوریت قرار دادن تولید نانوپودرها گام بلندی را در این زمنه برداشته است. مانند تولید پودر دی اکسید تیتانیم در ابعاد نانو جهت گندزدایی و نگهداری مواد غذایی و استفاده به عنوان فوتوکاتالیست و تصفیه آب و یا تولید نانوپودر طلا در مقیاس نانو جهت استفاده های بیولوژیک.
از دیگر موسسات پیشگام در این زمینه می توان به مؤسسه تحقیقات واکسن و سرم سازی رازی، موسسه گیاه‌پزشکی کشور، موسسه تحقیقات خاک و آب، موسسه تحقیقات شیلات ایران، موسسه تحقیقات جنگلها و مراتع و پژوهشکده بیوتکنولوژی اشاره نمود.کاربرد های فناوری نانو در علوم کشاورزی و صنایع وابسته به آن گسترشی روز افزون دارد ،که ادامه ی این روند در آینده ای نه چندان دور تولید و توزیع مواد غذایی سالم ، ارزان و با کیفیت را برای استفاده ی همه ی ملل دنیا محقق خواهد کرد

منبع: مجله دانشگر، شماره 25
http://www.nanoclub.ir/
www.nanoforum.org
http://nano.ir

کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت مواد غذایی

کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت مواد غذایی
برگزاری همایش‌‌هایی با موضوع فناوری‌نانو، راه‌اندازی کنسرسیوم‌هایی برای مواد غذایی بهتر و سالم‌تر، همچنین بالا بردن آگاهی مردم از طریق رسانه‌ها، مؤید تأثیرگذاری فناوری‌نانو بر صنایع غذایی است. در این مقاله به ارتقاع سطح کیفیت، هضم و جذب مواد غذایی به کمک فناوری نانو وهمچنین چگونگی بسته بندی و نگهداری آن به کمک این فناوری اشاره شده است.
مقدمهبرگزاری همایش‌‌هایی با موضوع فناوری‌نانو، راه‌اندازی کنسرسیوم‌هایی برای مواد غذایی بهتر و سالم‌تر، همچنین بالا بردن آگاهی مردم از طریق رسانه‌ها، مؤید تأثیرگذاری فناوری‌نانو بر صنایع غذایی است. انواع کاربردهای نانو در این زمینه شامل بسته‌بندی‌های هوشمند، مواد نگهدارنده و مواد خوراکی تعاملی (interactive) است، که به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهد موادغذایی را با توجه به ذائقه و نیازغذایی مورد نظرشان تغییر دهند.
بیشترغول‌های تولید کننده موادغذایی مانند Nestle,Kraft,Heinz و Unilever برنامه‌های تحقیقاتی مشخصی در این زمینه دارند تا بتوانند سهم بازار خود را در دهه‌های آینده حفظ کنند. این بدان معنا نیست که مواد غذایی به‌طور اتمی تغییر پیدا کنند و یا با نانوماشین‌ها تولید شوند، زیرا آرزوی تولید غذاهای مولکولی با کمک نانو ماشین‌ها فعلاً عملی نیست.
با علم به قابلیت‌های فناوری‌نانو امید است، بتوان سیستم‌های فعلی فراوری مواد غذایی را تغییر داده، محصولاتی مطابق با فرهنگ تغذیه سالم به بازار عرضه کرد. محققان همچنین امیدوارند بتوانند با استفاده از مواد افزودنی، کیفیت مواد غذایی و هضم و جذب غذا را در بدن افزایش دهند. اگر چه بعضی از این اهداف دور از انتظار به نظر می‌رسد، اما امروزه صنایع بسته بندی از فناوری‌نانو در محصولات خود کمک می‌گیرند.
1. بسته‌بندی و سلامت مواد غذاییپیشرفت در بسته بندی هوشمند برای افزایش عمر مفید محصولات غذایی، هدف بسیاری از شرکت‌هاست. این سیستم‌های بسته‌بندی قادر خواهند بود پارگی‌ها و سوراخ‌های کوچک را با توجه به شرایط محیطی (مانند تغییرات دما و رطوبت) ترمیم و مصرف کننده را از فساد ماده غذایی آگاه سازند. فناوری‌نانو می‌تواند در مواردی مانند افزایش مقاومت به نفوذ در پوشش‌ها، افزایش ویژگی‌های دیواره (مکانیکی، حرارتی، شیمیایی ومیکروبی)، افزایش مقاومت در برابر گرما، گسترش ضد میکروب‌های فعال و سطوح ضد قارچ کارساز باشد.
چشم اندازهای مالی فناوری‌نانو، صنایع بسته‌بندی را پررونق نشان می‌دهد. سهم بازار این صنعت در حال حاضر حدود 1.1 میلیارد دلار است و پیش‌بینی‌ می‌شود تا سال 2010 به 7.3 میلیارد دلار آمریکا برسد. با این وجود، صنعت بسته‌بندی هوشمند از آنچه پیش‌بینی شده بود جلوتر رفته و نشانه‌های تکامل آن به خوبی پیداست. تحقیقات سازمان مالی Frost and Sullivan نشان داد که علاقه مشتریان به مواد غذایی سالم و تازه در بسته‌بندی‌های مناسب، موجب پیشرفت این صنعت شده است. سازمان های زیادی وجود دارند که در زمینه سیستم‌های بسته‌بندی هوشمند فعالیت می‌کنند، ازجمله شرکت تولیدکننده مواد غذایی Kraft که با همکاری دانشگاه راتگرز در حال فعالیت روی پروژه زبان الکترونیکی (electronic tongue) است تا آن را به بسته‌بندی‌ها اضافه کند. این نوع بسته‌بندی شامل رشته‌ای از نانوحسگرهاست که نسبت به گازهایی که از مواد غذایی آزاد و موجب فساد آنها می‌شوند، به شدت حساس بوده و تغییر رنگ می‌دهند که این تغییر رنگ، علامت واضحی از سلامت یا فساد ماده غذایی است.
شرکت Bayer Polymer کیسه‌ای پلاستیکی با نام Durethan KU2-2601 تولید کرده است که از محصولات موجود در بازار سبک تر و محکم تر است، همچنین مقاومت بیشتری در برابر گرما از خود نشان می‌دهد. هدف اولیه از تولید پلاستیک‌های بسته‌بندی مواد غذایی، جلوگیری از خشک شدن محتویات آنها و محافظت در مقابل رطوبت و اکسیژن است. پوشش جدید غنی از نانوذرات سیلیکات است. این نانوذرات تا حد زیادی از نفوذ اکسیژن، گازهای دیگر و رطوبت جلوگیری می‌کنند و فساد مواد غذایی را به تعویق ‌می اندازند.
سازمان‌های دیگر به کمک فناوری‌نانو در حال یافتن راهی برای تشخیص فساد مواد غذایی هستند. به عنوان مثال شرکت AgroMicron، افشانه تشخیص دهنده نانوبیولومینسانس را ساخته که شامل پروتئین لومینسانت است. در این طرح، افشانه سطح میکروب‌هایی مانند Salmonella و E.coli را ‌پوشانده، و از خود نوری ساطع می‌کند و به این روش فساد مواد غذایی تشخیص داده می‌شود. این شرکت امیدوار است بتواند محصول مورد نظر را با نام BioMark وارد بازار کند. در حال حاضر این شرکت در حال ساخت افشانه‌‌هایی با روش‌‌های جدید است تا بتواند از آنها در حمل و نقل دریایی استفاده کند.
در راهبرد مشابه، برای اطمینان از سلامت مواد غذایی، محققان اتحادیه اروپا در پروژه Good Food از نانوحسگرهای قابل حمل برای یافتن مواد شیمیایی مضر، پاتوژن‌ها و سم‌‌ها در مواد غذایی استفاده می‌کنند.
با این کار، دیگر نیازی به فرستادن نمونه‌های مواد غذایی به آزمایشگاه برای تشخیص سلامت و کیفیت محصولات در کشتزارها و کشتارگاه‌ها نیست. همچنین این پروژه، در حال توسعه به کارگیری زیست تراشه‌های DNA برای کشف پاتوژن‌هاست. این روش می‌تواند در تشخیص باکتری‌های مضر و متفاوت موجود در گوشت یا ماهی و یا قارچ‌های میوه مؤثر باشد. این پروژه در نظر دارد با گسترش میکروحسگرهای رشته‌ا‌ی، بتواند آفت‌کش‌های میوه و سبزیجات را به همان خوبی که شرایط محیطی کشتزارها را کنترل می‌کند تشخیص دهد. این نوآوری به نام حسگرهای Good Food نامیده می‌شود.
پروژه سرمایه‌گذاری شده اتحادیه اروپا به نام BioFinger که هدف آن، ساخت ابزارهای ارزان با توان تشخیص آسان در سلامت محیط زیست است، فعالیت دیگری در زمینه آنالیز مواد غذایی دارد. در ابزارهایی که از حامل (cantilever) استفاده می‌کنند، روش بدین صورت است که تیرک (Tip) با ماده شیمیایی پوشانده شده و در برخورد با مولکول‌های خاصی، سیگنال ایجاد می‌کنند. BioFinger با استفاده از این حامل‌ها که به یک میکروتراشه متصل است کوچک‌تر و قابل حمل می‌شود.
ارتش آمریکا در حال ساخت حسگرهای فوق‌العاده‌ای‌ است که از آنها در مقابل حمله‌کننده‌ها به مواد غذایی استفاده می‌شود. در سیستم های کنونی چندین روز طول می‌کشد تا وجود پاتوژن‌ها در مواد غذایی تشخیص داده شود. تشخیص سریع پاتوژن‌ها به وسیله این حسگرها به زودی باعث فراگیر شدن این فناوری در صنعت مواد غذایی خواهد شد.
محققان دانشگاه بُن در حال ساخت پوشش‌های دفع کننده آلودگی برای بسته‌بندی‌ها با استفاده از اثر لوتوس (نیلوفر آبی) (قطره آب از سطح برگ‌های نیلوفر آبی می‌لغزد و در نتیجه هرم‌های موم مانند نانومقیاس، سطح برگ را می‌پوشاند) هستند. کشتارگاه‌ها و محل‌های فرآوری گوشت نیز می‌توانند از این فناوری استفاده کنند. گروه تحقیقاتی دانشگاه انگلیسی لیدز دریافتند که نانوذرات اکسید منیزیم و اکسید روی باعث از بین بردن میکروارگانیزم‌ها می‌شوند. استفاده از این مواد بسیار ارزان‌تر از نانوذرات نقره است و می‌توانند کاربرد زیادی در بسته‌بندی مواد غذایی داشته باشند. فناوری شناخت فرکانس‌های رادیویی (RFID) در بیش از 50 سال پیش توسعه یافت، ولی امروزه این فناوری راه خود را برای کنترل مواد غذایی در مغازه‌ها پیدا کرده است. در این فناوری با استفاده از میکروپردازشگر‌ها می‌توان داده‌ها را به گیرنده‌های بی‌سیم ارسال کرد. امروزه می‌توان از این روش برای کنترل اقلام غذایی از انبار تا دست مصرف‌کننده بهره گرفت. برخلاف بارکدها که نیاز به اسکن دستی و خواندن یک به یک دارند، برچسب‌های RFID نیازی به خوانده شدن خطی نداشته و امکان خواندن تعداد زیادی از آنها در یک ثانیه وجود دارد. فروشگاه‌های زنجیره‌ای مانند Wal Mart، Home Depot گروه Metro و Tsco در حال آزمایش این فناوری هستند. ضعف اصلی این روش، افزایش هزینه تولید است که نتیجه ساخت سیلیکونی آن می‌باشد. با ترکیب فناوری‌نانو و الکترونیک (نانوترونیک) این برچسب‌ها ارزان‌تر و کاراتر شده، همچنین پیاده‌سازی آنها آسان‌تر می‌شود.
گروهی از دانشمندان شمال اروپا، کنسرسیوم نانوغذایی را با هدف توسعه کاربردهای فناوری‌نانو دراین صنعت و با تأکید بر مواد غذایی سالم و مطمئن تشکیل داده‌اند. این مجمع، متشکل از شرکت‌های Arla Foods, Danisco A/S, Ar hus United A/S, Danish Crown amba و مرکز میان رشته‌ای نانوعلوم است.
با تأکید بر فراهم آوردن مواد غذایی سالم برای مشتریان، اولویت‌های این کنسرسیوم عبارت از توسعه حسگرهایی که قادر به تشخیص سریع سم در ترکیبات و یا باکتری‌های مضر در نمونه‌های غذایی باشند، گسترش سطوح ضد باکتری برای ماشین‌هایی که در تولید مواد غذایی به‌کار می‌روند، گسترش ساخت پوشش‌های محکم‌تر و ارزان‌تر، تولید مواد غذایی با ترکیبات خوراکی سالم‌تر می‌باشد.
تحقیقات مرکز دانمارک در بخش پژوهش‌های پیشرفته غذایی (LMC) که از همبستگی مؤسسات دانمارکی فعال در زمینه علوم غذایی تشکیل شده‌اند، برنامه‌های خود را در چارچوب هفتمین برنامه خود به صورت زیر اعلام می‌دارد:
درک پایه‌ای از مواد غذایی و تغذیه حیوانات برای نوآوری هوشمند؛
سیستم‌های زیست‌شناسی در تحقیقات غذایی؛
بازنگری زیستی در بخش محصولات غذایی؛
پیشرفت‌های فناوری؛
علم مواد خوراکی؛
نوآوری‌هایی بر اساس نیاز مشتری و ارتباطات غذایی.
آنها معتقدند تمرکز روی این برنامه‌ها می‌تواند موجب دستیابی کامل و چند جانبه در تحقیقات و توسعه مواد غذایی در اروپا شود. همچنین امیدوارند از نانوموادی با ویژگی‌های کاربردی به منظور استفاده در نانوحسگرها و فناوری ‌نانوسیالات در صنایع غذایی استفاده کنند. پیشرفت در مواد بسته‌بندی هوشمند، امکان کنترل شرایط محصولات در طول حمل و نقل و استفاده از روش‌های بسته‌بندی مبتنی بر زیست‌شناسی را برای ما مهیا می‌سازد.
2. فراوری مواد غذاییفناوری‌نانو علاوه بر بسته‌بندی، تأثیر زیادی روی گسترش مواد غذایی کاربردی و تعاملی دارد؛ موادی که به نیازهای بدن پاسخ داده، می‌توانند در رسانش مواد غذایی مؤثر باشند. گروه‌های تحقیقاتی مختلفی در حال کار روی ساخت مواد غذایی جدید بر اساس تقاضا هستند. این مواد به صورت غیر فعال در بدن باقی می‌مانند و مواد غذایی را در صورت نیاز به سلول‌ها می‌رسانند. عنصر کلیدی این بخش، توسعه نانوکپسول‌هایی است که با استفاده از آنها در مواد غذایی می‌توان کار رسانش را به خوبی انجام داد. از پیشرفت‌های دیگر در فرآوری مواد غذایی، افزودن نانوذرات به مواد خوراکی برای افزایش جذب آنها در بدن است.
یکی از بهترین نانوایی‌ها در غرب استرالیا در استفاده از نانوکپسول‌هایی که شامل روغن ماهی تن (منبع غنی از اسیدهای چرب امگا 3) بوده‌اند؛ موفق بوده است. این مرکز از نانوکپسول‌ها در پرفروش‌ترین نوع نان خود به نامtip-top استفاده می‌کند و این ذرات فقط هنگامی باز و شکسته می‌شوند که وارد معده شوند، به این ترتیب از مزه ناخوشایند روغن ماهی جلوگیری می‌شود.
شرکت Nutralease در رژیم اشغالگر قدس، از فناوری ساختارهای مایع خودآرای نانومقیاس (NSSL) برای رسانش مواد غذایی استفاده می‌کند. این ذرات به شکل مایسل (کره‌های توخالی که از چربی ساخته شده و درون آن آب است) با قطر حدود 30 نانومتر هستند. مواد خوراکی یا nutraceuticals دارای آب درونی هستند و می‌توانند برای حمل موادی مانند لیکوپن، بتا-کاروتن، لوتین، فیتوسترول ها، CoQ10 و DHA/EPA مورد استفاده قرار بگیرند. این ذرات به ترکیبات اجازه می‌دهند که به راحتی از طریق معده وارد رگ‌های خونی شوند. بنابراین دسترسی زیستی آنها افزایش می‌یابد. این فناوری را در حال حاضر کارخانجات Shemen برای رسانش روغن فعال Canola وارد بازار کرده‌اند. این شرکت ادعا می‌کند می‌تواند جذب کلسترول را در کیسه صفرا تا 14 درصد کاهش ‌دهد.
تعدادی از شرکت‌های شیمیایی در حال تحقیق روی افزودنی‌هایی هستند که بدن به راحتی قادر به جذب آنهاست و می‌توانند عمر مفید محصولات را افزایش دهند. سازمان بین‌المللی علوم رسانش زیستی در حال توسعه نانوحلزون‌هایی با ذرات پیچشی 50 نانومتری است که می‌تواند در رسانش موادی مانند ویتامین‌ها، لیکوپن و اسیدهای چرب امگا3 به سلول‌ها به کار گرفته شود، بدون اینکه در مزه و رنگ مواد غذایی تأثیر داشته باشد.
صنایع غذایی Kraft، گروهی محقق از 15 دانشگاه مختلف را تشکیل داده است تا با کمک فناوری‌نانو در مورد غذاها تحقیق کند. این مورد به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهد تا بین رنگ‌ها و طعم‌های مختلف انتخاب کنند. این مجمع همچنین روی توسعه مواد غذایی هوشمند با کمک نانوحسگرها، که باعث آزاد سازی تدریجی موادغذایی می‌شود فعالیت می‌کند. این نانوکپسول‌ها با مواد غذایی ترکیب می‌شوند ولی تا زمان مناسب، غیر فعال باقی می‌مانند. تمامی پیشرفت‌های جدید موجب می‌شود مفهوم موادغذایی کامل به واقعیت نزدیک شود و انتظار می‌رود تا فواید دیگری در زمینه انرژی، عملکردهای تشخیصی، کاربردهای ایمنی بهتر و توسعه محصولات ضد پیری برای مصرف‌کنندگان وجود داشته باشد.
امروزه از فناوری‌نانو در صنایع آرایشی مانند ساخت کرم‌های شفاف استفاده می‌شود. شرکت Royal BodyCare، که از فناوری‌نانو علوم غذایی استفاده می‌کند محصول جدیدی با نام NanoCeuticals را وارد بازار کرده، که امولسیونی از ذرات با قطر کمتر از 5 نانومتر است. این شرکت ادعا می‌کند این محصول، رادیکال‌های آزاد را جمع آوری کرده، آب رسانی را بالا برده و pH بدن را تنظیم می‌کند. این شرکت همچنین در حال توسعه نانوخوشه‌‌ها و پودرهای نانومقیاسی است که با مکمل‌های غذایی ترکیب می‌شوند و هنگام مصرف، قدرت جذب مواد غذایی را در بدن افزایش می‌دهند.
شرکت‌های مواد غذایی و آرایشی در همکاری با یکدیگر به دنبال سازوکاری جدید برای رسانش ویتامین‌ها و جذب مستقیم آنها از پوست هستند. به عنوان مثال شرکت Nestle که 49 درصد از سهام شرکت LOreal را داراست در حال ساخت کرم ضدآفتاب شفافی است که ویتامین E را مستقیم به پوست می‌رساند. هدف، ساخت کرمی است که به وسیله پوست جذب شده و ویتامین E را به آرامی آزاد کند، به‌علاوه دارای ماده محافظ UV نیز باشد. در حال حاضرکرم‌های شفاف ضد UV در بازار موجود است و LOreal انتظار دارد این کرم با کاربردهای بیشتری بازار را در برگیرد.
رقیبان دیگر مانند Estee Lauder در حال ساخت فرمول‌های ضد پیری هستند که از نانوذرات تشکیل شده‌است. شرکت آمریکایی Oilfresh محصول نانوسرامیکی جدیدی وارد بازار کرده که مصرف روغن را در رستوران‌ها و غذاهای آماده به نصف کاهش می‌دهد. در نتیجه این تغییر بزرگ، از اکسید شدن محصولات به دلیل چربی‌های درون روغن جلوگیری می‌شود. مورد دیگر این است که روغن سریع‌تر داغ شده و انرژی مورد نیاز برای پخت کاهش می‌یابد.
اخیراً دانشگاه واخنینگن در هلند مرکز تحقیقاتی را تأسیس کرده که در حال کار روی کاربرد فناوری‌نانو در صنایع غذایی است. مرکز بیوفناوری واخنینگن روی موضوعات مختلفی ازجمله تشخیص کیفیت و سلامت غذا، پوشش‌دار کردن و رسانش مواد غذایی، میکرو و نانو ابزارهایی برای پردازش‌های شیمیایی و فیزیکی، زیست شناسی شیمیایی، نانو سم شناسی؛ بررسی فناوری و علم مشتری متمرکز شده است.
شرکت آلمانی Aquanova در حال توسعه فناوری جدیدی است که در آن دو ماده فعال را با هم ترکیب کرده و در کاهش چربی از طریق نانوحامل‌ها (کره‌های تو خالی با قطر 30 نانومتر) استفاده می‌کند. این نوآوری می‌تواند دستیابی جدیدی در کنترل وزن باشد. شرکت NovaSOL Sustain از CoQ10 برای کاهش چربی اسیدهای alpha-lipoic برای رفع گرسنگی استفاده می‌کند. همچنین این فناوری برای تولید ویتامین‌هایی مانند SoluE که از دسته ویتامین‌های E است و همچنین SoluC که از دسته ویتامین‌های C است استفاده می‌شود.
در یک راهبرد متفاوت، شرکت Unilever در حال تولید بستنی‌های کم چرب با کاهش ذرات امولسیون است. با این عمل امید است که استفاده از این ذرات، میزان چربی را تا 16 درصد کاهش دهد. مرکز بین‌المللی Woodrow Wilson، مؤسسه بورس تحصیلی در آمریکا، پایگاه داده‌ای از مشتریان بازار فناوری‌نانو تشکیل داده و به‌زودی 15 مورد را که ارتباط مستقیم با صنایع غذایی دارند اعلام می‌کند. این فهرست شامل nanocetical های تولیدی شرکت RBC، Life Science و روغن فعال Canola ی صنایع Shemen و نانوذرات نقره استفاده شده در یخچال‌های شرکتLG می باشد.
3. جمع بندیامروزه بسیاری از کشورهای جهان به توانایی فناوری‌نانو در صنایع غذایی پی برده‌اند‌‌و در حال سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی در این راه هستند. مؤسسه استاندارد مواد‌غذایی انگلستان (FSA) تحقیقاتی برای دستیابی به توانایی استفاده از فناوری‌نانو در غذا و مشخصاً بسته‌بندی موادغذایی ترتیب داده‌است. همزمان دولت این کشور نیز بودجه بیشتری برای تحقیق و توسعه در زمینه غذاهای کاربردی، سیستم‌های رسانش موادغذایی و شیوه‌های بهینه‌سازی ظاهر غذا مانند رنگ، مزه و غلظت در نظرگرفته است.
با افزایش تأثیرات فناوری‌نانو بر صنایع‌غذایی و ورود این محصولات به بازار مصرف، اهمیت سلامت این دسته از مواد‌غذایی بیشتر مطرح می‌شود. این نیاز، پذیرش فناوری‌نانو را در کاربردهای حسی، قوی‌تر خواهد کرد، و از همین راه می‌توان به سلامت مواد‌غذایی پی برد. مانند نوعی فناوری که نزدیک بودن تاریخ انقضای مواد‌غذایی را به خریداران و فروشندگان هشدار می‌دهد. پوشش‌های ضد‌میکروبی جدید و کیف‌های پلاستیکی دفع‌کننده آلودگی، پیشرفت‌ چشمگیری در اطمینان از سلامت و امنیت غذاهای بسته‌بندی داشته‌اند. اگرچه توجه زیادی به کاربرد فناوری‌نانو در صنایع‌غذایی و محصولات موجود در بازار شده‌است، اما هنوز هم توانایی‌های استخراج نشده بسیاری مانند آنچه قبلاً در بحث دستکاری ژنتیکی عنوان شد وجود دارد.
مؤسسه علوم و فناوری غذایی انگلستان، در گزارشی نشان داده است که داده‌های مطمئن بیشتری مورد نیاز است تا بتوان نانوذرات را به مواد غذایی اضافه کرد. این گزارش اشاره می‌کند که قوانین جاری، شرکت‌ها را برای برچسب‌زدن روی اقلامی که شامل نانوذرات است مجبور نمی‌کند، بنابراین بعید است مشتریان بتوانند از وجود این مواد در اقلام غذایی مطلع شوند. گفته می‌شود برای ارزیابی سلامت این دسته از مواد غذایی باید به تأثیرات اندازه ذرات در کنار نوع ترکیبات توجه شود.
گروه ETC همچنین برخی شرکت‌های مهم و دانشگاه‌های فعال را به تلاش برای به انحصار درآوردن غذاهای جدید (از طریق ثبت اختراع) متهم کرده است؛ زیرا این کار می‌تواند برای بسیاری از شرکت‌های مبتکر در کشورهای در حال توسعه، مانع ایجاد کند.
سرانجام روزی خواهد رسید که موادغذایی را از ترکیبات اتمی و مولکولی بسازیم که در اصطلاح به آن تولید مواد غذایی مولکولی گفته می‌شود. امروزه برخی گروه‌های تحقیقاتی در حال بررسی این زمینه هستند، ولی هنوز با روش بالا به پایین، استفاده از سلول‌ها بیش از مولکول‌هاست. اگر‌چه استفاده کاربردی از این فناوری در آینده دور امکان‌پذیر است، اما انتظار می‌رود این پیشرفت بتواند راه را برای گسترش پردازش محصولات غذایی مؤثرتر و ماندگارتر باز کند که در این صورت مواد خام کمتری مصرف شده و غذاهایی با کیفیت بالاتر به دست می‌آید.

مبحثی در مورد نانولوله‌های کربنی

مبحثی در مورد نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌های کربنی زیستی سلولیکی از پرکاربردترین ساختارهای مورد بحث در فناوری نانو که به عرصه علوم زیستی وارد شده‌است، نانولوله‌های کربنی هستند. این نانوساختارها، به‌جهت بهره‌مندی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد فیزیکی و شیمیایی بالقوه، از توانایی‌هایی برای استفاده در حسگر‌های زیستی، حمل و نقل مولکولی، جستجوی الکتروشیمیایی نمونه‌های بیولوژیک، داربست بافتی، فرستنده سیگنال‌ به سلول‌ها و روش‌های تشخیصی برخوردارند. اما پیش از به‌کارگیری نانولوله‌های کربنی در موجودات زنده، باید از سازگاری این ساختارها در بافت زنده مطمئن شد. به این منظور پژوهش‌های زیادی صورت گرفته‌است که تا حدودی سمیت نانولوله‌های کربنی و عوامل مؤثر بر آن مثل دوز، ساختمان، دنباله‌های شیمیایی، سطح فعال و خلوص را مشخص نموده‌است. دانشمندان تاکنون توانسته‌اند از نانولوله‌های کربنی در حسگرهای پروتئینی، ناقل‌های پروتئینی، میکروسکوپ‌ها، داربست بافتی سلول استخوانی و عصبی، کانال‌های مولکولی و فرستنده سیگنال به سلول‌های عصبی استفاده کنند.
1. معرفی نانولوله‌های کربنی 1-1. تاریخچه
به نظر می‌رسد اولین رشته‌های در مقیاس نانو در سال 1970 میلادی توسط Marinobu Endo از دانشگاه اورلئان فرانسه تهیه شد. این رشته‌ها هفت نانومتر قطر داشتند و با روش رشد توسط بخار تهیه شده بودند [1]. با این حال امروزه نام ایجیما از آزمایشگاه NEC در تسوکوبا به‌عنوان اولین کسی که توسط HR-TEM در سال 1991 موفق به مشاهده نانولوله‌‌ها شد، در صدر محققان این رشته‌ باقی مانده‌است [1و2و3و4]. در همین زمان و به طور مستقل در مسکو نیز دانشمندان موفق به کشف ریز‌لوله‌هایی شده بودند که البته نسبت طول به قطر آن کمتر از یافتة ایجیما بود. روس‌ها نام این ماده را Barrelense گذاردند [1]. آنچه ایجیما موفق به مشاهده آن شده بود نانولوله چند لایه بود و وی به فاصله دو سال موفق به مشاهده نانولوله تک‌لایه نیز گشت. گروه رایس در 1996 موفق به ساخت دسته‌های موازی از نانولوله تک‌لایه شدند که راه را برای تحقیقات بیشتر روی فیزیک کوانتوم تک بعدی باز کرد [1].
1-3. روش‌های تولید
روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی به‌اختصار شامل موارد زیر است[2]: • تبخیر یا سایش لیزری (Laser Vaporization/ablation)؛
• رسوب‌‌دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت (CVD)؛
• رسوب‌دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD)؛
• رشد فاز بخار؛
• الکترولیز؛
• سنتز شعله.
1-2. ساختار
نانولوله بر اساس ساختمان گرافیت بنا می‌شوند. گرافیت از لایه‌های مجزایی متشکل از اتم‌های کربن تشکیل شده‌‌است که به‌صورت واحد‌هایی شش‌ضلعی که در شش رأس آن اتم کربن قرار دارد آرایش یافته‌اند. قطر نانولوله بین یک تا دو نانو‌متر و طول آن گاه تا چند میکرومتر نیز می‌رسد. انتهای هر دو سوی نانولوله‌ها می‌تواند با نیمه‌‌ای از یک فولرین مسدود ‌باشد یا نباشد [1]. و لذا می‌تواند در انتهای خود علاوه بر اجزای شش‌ضلعی دارای اجزای پنج‌ضلعی نیز ‌باشد[3]. اما مهم‌‌ترین ویژگی که در تعیین خصوصیات نانولوله‌ها نقش بازی می‌کند، با عنوان Chirality یا پیچش شناخته می‌شود [1و2و4و5].
از دیگر ویژگی‌های ساختاری نانولوله‌ها حضور آنها به دو فرم نانولوله چند لایه با نام اختصاری MWNT و نانولوله‌های تک‌لایه با نام اختصاری SWNT است؛ هر یک از این انواع دارای کاربرد‌های متفاوتی هستند.
2. ویژگی‌های زیستی نانولوله‌های کربنی
با وجود خصوصیات متنوع نانولوله‌ها، دور از ذهن نیست که کاربرد‌های متنوعی نیز داشته باشند. در یک تقسیم‌بندی ساده می‌توان بر‌هم‌کنش‌های زیستی نانولوله‌ها را از دو بعد درون‌سلولی و برون‌سلولی مورد بررسی قرار داد. به طور کلی مهم‌ترین عناوین کاربرد‌های نانولوله‌ها از دید بیولوژیک عبارتند از:
• حسگر‌های زیستی؛
• حمل و نقل ملکولی؛
• جستجوی الکتروشیمیایی نمونه‌های بیولوژیک؛
• داربست بافتی؛
• فرستنده سیگنال‌ به سلول‌ها؛
• روش‌های تشخیصی.
اما یکی از مهم‌ترین مباحث در راه استفاده از کارایی‌های نانولوله در بافت زنده، سازگاری زیستی آن است. لذا ابتدا مطالعات صورت گرفته در این زمینه را مرور می‌کنیم.
1-4. خصوصیات فیزیکی و شیمیایی
نانولوله‌ها علی‌رغم برخورداری از قطر بسیار کم، استحکام کششی بالایی در حدود صد گیگاپاسکال دارند [2و5]. از دیگر خصوصیات نانولوله‌ها وجود پیوند‌های واندروالس بین اتم‌ها(و لذا توانایی بسیار پایین آنها برای چسبیدن به یکدیگر)، خواص الکتریکی منحصر به فرد (نانولوله فلزی و نیمه هادی) [1و2و3و5]، رسانایی تنها در جهت طولی [1و2]، رسانایی حرارتی و خاصیت نشر میدانی [2و6و7] است. خاصیت نشر میدانی در ساختار‌هایی که دارای نسبت طول به قطر بالا (بزرگ‌تر از هزار) ، دارای رأس اتمی تیز، ثبات بالای حرارتی و شیمیایی و هدایت بالای الکتریکی و گرمایی باشند، دیده می‌شود [7و8].
2-1. ساز‌گاری زیستی
جلب نظر دانشمندان به سازگاری زیستی نانولوله‌ها و اثرات مضر احتمالی آنها بر سلول‌ها، به این واقعیت برمی‌گردد که در سال‌های اخیر با افزایش روز‌ افزون کاربرد‌های نانولوله‌ها‌ در صنعت و حضور بیشتر آنها در محیط، ارتباط معنا‌‌داری بین آنها و بیماری‌هایی از جمله بیماری‌های تنفسی [9] و پوستی [10] پیدا شده‌است. این امر مراکز علمی و تحقیقاتی را بر آن داشته‌ است تا به بررسی اساسی این تأثیرات، یعنی تأثیر نانولوله بر سلول بپردازند. علی‌رغم مطالعاتی که در ابتدا نشان می‌داد که نانولوله و هم‌خانواده‌های آن تأثیر چندانی بر مورفولوژی، رشد و تکثیر سلولی ندارند [11]، امروزه مشخص شده‌است که شاخص‌هایی چون ابعاد فیزیکی، مساحت، دوز، نسبت طول به قطر، زمان، خلوص و وجود عوامل شیمیایی متصل به سطح، هر یک به نوبه خود در خاصیت سیتوتوکسیتی نانولوله مؤثرند [12و13و14و15]. هر یک از مطالعات صورت گرفته روی یکی از متغیر‌های مذکور تمرکز بیشتری دارند، اما به نظر می‌رسد که دوز، خلوص و حضور دنباله‌های شیمیایی متصل به سطح از موارد مهم‌تر باشند.
مطالعات نشان داده‌اند که آستانه اثر کشندگی نانولوله برای نانولوله‌های چند دیواره و تک‌دیواره ، حدود 06/3 میکروگرم در میلی‌لیتر است که این رقم در برابر C60 (فولرین) که تا 226 میکروگرم در میلی‌لیتر نیز اثر کشندگی برای سلول ندارد، رقمی قابل توجه است [16]. آخرین و مهم‌ترین مقاله منتشر شده در این زمینه توسط انجمن شیمی آمریکا، در مقایسه‌ای بین سیتوکسیتی MWCNT، SWCNT، کوارتز و C60، به‌ترتیب توان کشندگی این مواد برای سلول را به این شکل بیان می‌کند:
C60 < کوارتز < SWCNT > MWCNT
نکته جالب آن است که اگر چه با افزایش دوز نانولوله در محیط کشت، اثر کشندگی آن نیز افزایش می‌یابد، اما این ارتباط، خطی و منظم نیست [15]. نکته دیگر در مورد اثر دوز اینکه نانولوله در دوز‌های پایین اثری عکس اثرات آن در دوز‌های بالا دارد.
بررسی‌ها نشان می‌دهد که نانولولة خالص دارای اثرات سمی بیشتری نسبت به نوع ناخالص آن است[12]. اما مهم‌تر از خلوص، اثر عوامل شیمیایی بر روی سطح نانولوله است که موجب کاهش اثرات سمی آن می‌شود [13]. اضافه نمودن عوامل شیمیایی بر روی سطحِ نانولوله را فعال سازی (Functionalization) می‌گویند که به نوبه خود موجب تسهیل به‌کارگیری نانولوله در صنایع می‌گردد.
برخی از مطالعات به نحوة اثر نانولوله در سلول و علت مستقیم مرگ سلولی ناشی از آن اختصاص دارند. به طور کلی سلول‌ها در مواجهه با نانولوله، پاسخ‌‌های گسترده و بعضاً متناقضی از خود نشان می‌دهند. این پاسخ‌های سلولی عبارتند از: فعال‌سازی ژن‌های مؤثر در حمل و نقل سلولی، متابولیسم، تنظیم سیکل سلولی و رشد سلولی پاسخ‌های استرسی و اکسید‌اتیو، تولید و ترشح پروتئین از سلول، توقف رشد سلولی و در نهایت آپوپتوز و نکروز [10و14و15و17].
طبق مطالعات صورت گرفته، نانولوله‌ها در دوز‌های پایین‌تر موجب افزایش رشد و متابولیسم سلولی و در دوز‌های بالاتر موجب واکنش‌های التهابی و پاسخ‌های ایمنی سلولی، مشابه وضعیتی که در برابر تهاجم یک عفونت وریدی از خود نشان می‌دهد، می‌شوند [15]. در واقع مرگ سلول‌ها در مواجهه با نانولوله‌ها مشابه دیگر موارد مرگ سلولی، ناشی از تشکیل رادیکال‌های آزاد و عوارض ناشی از آن، تخلیه مواد آنتی‌اکسیدان و up-regulation برخی از ژن‌ها و down-regulation برخی از ژن‌‌های دیگر است [10و14و17].
اثرات نانولوله بر روی بیان ژنی که تا به حال کشف شده‌است عبارت است از: up-regulation بیان ژن‌های مؤثر در سیکل سلولی مثل P38, CdC37, CdC42, hrk, P57, bax, P16 و Down-regulation بیان ژن‌های مؤثر در سیکل سلول مثل Cdk2 و Cdk4، Cdk6 و Cyclin D3 و نیز down-regulation بیان ژن‌های مرتبط با سیگنال‌های سلولی مثل pcdha9, ttk, jak1, mad2 و erk. همچنین موجب القای down-regulation بیان پروتئین‌های دخیل در اتصالات سلولی مانند لامینین، فیبرونکتین، کادهرین و FAR و کلاژن نوع چهار می‌شوند[14و17].
از این میان دانشمندان مهم‌ترین تأثیر نانولوله‌ها را در سیکل میتوز در مرحله G1 می‌دانند و توقف سلول در فاز G1 را عامل اصلی آپوپتوز قلمداد می‌کنند[17].
2-2. نانولوله‌های کربنی: ابزار‌های قدرتمند زیستی
چنانچه عنوان شد، با در نظر گرفته خطرات احتمالی نانولوله‌ها برای سلول و بافت، این ساختار‌های نانویی بالقوه از کاربرد‌های فراوانی در موجودات زنده برخوردارند. اگرچه ترس از عدم سازگاری زیستی موجب کند شدن روند تحقیقات در این زمینه شده‌است، با این حال تاکنون دانشمندان به نتایج قابل قبولی نیز دست یافته‌اند که در ادامه به آنها اشاره می‌شود.
2-2-1. حسگر‌های زیستی
هرگونه تغییری در ساختمان و اجزای نانولوله‌ها موجب تغییر در قدرت هدایت الکتریکی آنها خواهد شد. دانشمندان دریافته‌اند که فعال‌سازی نیز متناسب با خصوصیات مولکول پیوند شده، موجب تغییراتی در هدایت الکتریکی و تابش نور از نانولوله می‌شود که منحصر به همان مولکول است[18]. تاکنون مطالعاتی روی پروتئین‌ها، کربوهیدارت‌ها و آنتی‌بادی‌های مختلف صورت گرفته‌است که همگی تأییدی بر این فرضیه بوده‌اند[18و19و20]. لذا متصور خواهد بود که با حضور هر نوع مولکول در محیط‌ حاوی نانولوله و اتصال به آن می‌توان فرکانس الکتریکی یا طول نورانی متفاوتی را ثبت کرد و به حضور آن ماده در محیط پی برد.
2-2-2. حمل و نقل ملکولی
تاکنون مطالعاتی روی توانایی نانولوله‌ها در جابه‌جا نمودن مولکول‌ها صورت گرفته‌است. این بررسی‌ها غالباً به دو دسته تقسیم می‌شوند: مطالعاتی که به بررسی عبور مولکول‌ها از درون نانولوله [20] و جاگذاری مولکول‌ها درون آنها [29] اختصاص دارند و مطالعاتی که بر پایه اتصال مولکول‌ها به سطح نانولوله و انتقال از این طریق بنا شده‌اند[21]. در نوع اول دانشمندان موفق به مشاهده عبور مولکول آب، +H، برخی از یون‌ها و بعضاً پلیمر‌ها از درون نانولوله شده‌اند[20]، آنها با جایگذاری داروهای ضد سرطان (مثل سیس پلاتین) درون نانولوله‌ها موفق به انتقال آنها به اطراف سلول و آزادسازی آهستة آنها از درون نانولوله شده‌اند[29]. در نوع دیگر عموماً نقل و انتقال پروتئین‌ها توسط نانولوله‌ها بررسی شده‌است. این مطالعات نشان می‌دهند که با فعال سازی نانولوله توسط بنیان اسیدی می‌توان قابلیت اتصال این مواد به پروتئین‌ها را افزایش داد و به این طریق انتقال پروتئین‌ها به درون سلول را تسهیل کرد[21]. البته این توانایی نانولوله‌ها به اندازه پروتئین‌ نیز بستگی دارد و در اندازه‌های بزرگ‌تر این توانایی از نانولوله صلب می‌شود. در همین رابطه می‌توان توانایی نانولوله را برای انتقال ژن‌ها به درون سلول نیز ذکر کرد [22]. که البته مطالعات در این زمینه همچنان ادامه دارد. چنانچه بتوان از نانولوله به عنوان ناقل ژنی استفاده کرد، می‌توان آینده درخشانی را برای ژن‌درمانی و روش‌های مشابه متصور بود.
2-2-3. داربست بافتی
اخیراً توجه دانشمندان به این قابلیت نانولوله‌ها جلب شده‌است که همانند داربست‌های طبیعی بافتی محتوی کلاژن، می‌توانند به عنوان داربست (Scaffold) برای رشد سلول‌های روی آنها مورد استفاده قرار بگیرند. احتمالاً ایده‌ اولیه از آنجا منشأ می‌گیرد که نانولوله‌ها هنگام تولید به صورت رشته‌هایی درهم آرایش می‌یابند که به آن فرم ماکارونی اطلاق می‌شود. این مشابه وضعیت کلاژن‌ها در مایع خارج سلولی است. نام دیگر این آرایش bucky paper است [19].
دانشمندان دریافته‌‌اند که SWCNTهای بافته نشده (non woven) دارای خاصیت داربستی بیشتری نسبت به دیگر انواع هستند. در این حال قابلیت تکثیر و چسبندگی سلولی نیز افزایش چشمگیری دارد [23]. مهم‌ترین دستاورد محققان در این زمینه، کشت استئوبلاست‌ها روی نانولوله‌هاست که به‌تازگی در مقاله‌ای توسط محققان دانشگاه کالیفرنیا در سال 2006 منتشر شده‌است و توجهات زیادی را به خود جلب کرده‌است. این یافته راه را برای به کار‌گیری نانولوله‌ها در ترمیم آسیب‌های سلولی باز می‌کند [24]. بیش از این نیز اتصالات محکم استئوبلاست‌ها به داربست نانولوله‌ای توسط filopodiaهای شکل‌گرفته در حین کشت به اثبات رسیده بود [25]. با این حال مطالعاتی نیز نشان می‌دهند که اتصالات بین سلول و داربست نانولوله سست بود و سلول‌ها قادر به نفوذ به داربست نیستند[8].
یافته دیگری که توسط دانشگاه کالیفرنیا اعلام شده‌است، احتمال به‌کار‌گیری نانولوله‌ها در ترمیم ضایعات نخاعی است. در این حال حضور نانولوله‌ها در محیط موجب هدایت رشد آکسونی می‌شود‌[26].
2-2-4. دیگر کاربرد‌ها
دیگر کاربرد‌هایی که امروزه مطالعاتی بر روی آنها در حال انجام است عبارتند از: الف) فرستادن سیگنال به سلول‌های عصبی [27] که در آن همزمان با ایجاد داربست مناسب برای رشد سلول‌های عصبی (توسط فعال‌سازی مناسب نانولوله‌ها) می‌توان سیگنال‌های الکتریکی را به سلول عصبی فرستاد؛ ب) روش‌های تشخیصی زیستی [28] که اولین مرحله این کاربرد بر روی مالاریا و تشخیص گلبول‌های قرمز آلوده به این تک یاخته Plasmodium falciparum صورت گرفته‌است و در حقیقت میکروسکوپ AFM بر این پایه عمل می‌کند؛ ج) جستجوی الکتروشیمیایی [20] که در واقع از خاصیت قطبیت‌پذیری نانولوله‌ها استفاده و آن را به ابزاری تحت عنوان «ion-nanotube terahertz osillator» تبدیل کرده‌است. در این حالت یون مورد نظر (مثلاً +K) با گیرافتادن در دالان نانولوله با فرکانس بالا شروع به حرکت به دو سوی نانولوله می‌کند. حاصل این فرایند ایجاد جریان الکتریکی متناوب با فرکانس بالا خواهد بود که از خارج قابل اندازه‌گیری است.
3. جمع بندینانولوله‌های کربنی به جهت قدرت الاستیسیتة بالا و در عین حال استحکام فوق العاده، به عنوان داربست سلولی برای رشد سلول‌های استخوانی و عصبی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به علاوه در عین حال که سلول‌ها روی شبکه‌ای تور مانند از این مواد شروع به رشد و تکثیر می‌کنند، دانشمندان توانسته‌اند از قابلیت هدایت ویژه الکتریکی نانولوله‌های کربنی استفاده و از آنها به عنوان راهی برای فرستادن پیام به سلول‌ها استفاده کنند. این یافته‌ها تداعی‌کنندة نیاز مبرم علم پزشکی و مخصوصاً شاخه‌های جراحی پلاستیک و پیوند اعضا، به رشد و تکثیر و پرورش سلول‌های مورد نظر در خارج از بدن و سپس انتقال آنها به بدن است. در این فرایند کاستن از رد شدن بافت پیوندی توسط دستگاه ایمنی بدن از جایگاه ویژه‌ای برخوردار است که تحقیقات چند سال اخیر روی سازگاری زیستی نانولوله‌های کربنی آن را نشان داده‌است. با تغییراتی در ساختار و ترکیبات این مواد می‌توان آنها را به ساختمان‌هایی سازگار با دستگاه ایمنی بدن تبدیل کرد. به‌علاوه اتصال محکم سلول‌ها به این ساختارها مشکل دیگر پیوند اعضا، یعنی سستی سلول‌ها پس از پیوند را مرتفع خواهد ساخت.
همچنین قابلیت ذخیره‌سازی مولکول‌ها در داخل نانولوله‌های کربنی، درهای تازه‌ای را به روی حمل و نقل مواد حاجب و داروها در داخل بدن گشوده‌است؛ چنانچه هر دوی این کاربردها در خارج از بدن انسان به اثبات رسیده‌اند. مشابه این کاربرد، توانایی نانولوله‌های کربنی فعال‌سازی شده برای اتصال به پروتئین‌ها و انتقال آنها به داخل سلول است که به تازگی نظر دانشمندان را به خود جلب نموده‌است.
از مهم‌ترین و اولین کاربردهای نانولوله‌های کربنی در محیط‌های زنده، توانایی آنها برای اتصال به مولکول‌های آلی مختلف و امکان جستجوی آن ماده بر اساس تغییرات هدایت الکتریکی نانولوله بوده‌است. این کاربرد، از برجسته‌ترین تقابل‌های علم الکترونیک و بیولوژی در بهره‌برداری از فناوری‌نانو بوده‌است.
با توجه به آنچه گذشت و طبق اطلاعات موجود از امکانات حال حاضر کشورمان، به نظر می‌رسد که با برقراری ارتباط بیشتر بین محققان علوم زیستی و علوم مهندسی، هیچ‌یک از این کاربردها هم اکنون دست نایافتنی نیستند. در حقیقت ذکر چنین کابردهایی از نانولوله‌های کربنی که تنها یک نانوذره از میان هزاران نانوذرة موجود است، هدفی به جز ایجاد انگیزه بیشتر برای ورود مهندسان علوم الکترونیک، مواد و شیمی به حوزه علوم زیستی و بالعکس آشنایی بیشتر محققان علوم زیستی با بعد فنی و مهندسی فناوری نانو نخواهد داشت.
ترکیب اسپین و مدار چرخش الکترون در نانو لوله های کربنی
در یک نانو لوله ی کربنی، الکترون ها می توانند به طور ساعتگرد یا پادساعتگرد حول لوله بچرخند. ظاهراً به نظر می رسد که ویژگی حرکت اسپینی الکترون(چرخش به دور خود) نیز خاصیتی مشابه داشته باشد ولی طی پژوهشی که فیزیک دانان دانشگاه کرنل انجام دادند معلوم شد که این طور نیست.
به گزارش خبرگزاری برق، الکترونیک و کامپیوتر ایران(الکترونیوز) و به نقل از فیزورگ، طبق پژوهش انجام گرفته، پژوهشگران که امیدوار بودند از نانو لوله های کربنی برای محاسبات کوانتومی استفاده کنند احتمالاً بایستی روش های خود را عوض کنند. گفتنی است برای انجام محاسبات کوانتومی با استفاده از نانو لوله های کربنی، اسپین یک اتم نشانگر یک بیت داده می باشد.
فیزیک دانان دانشگاه کرنل دریافتند که اسپین یک الکترون در یک نانو لوله کربنی تزویج می شود یعنی با مدار چرخش الکترون اثر متقابلی دارند. این یافته به این معنی است که پژوهشگران مجبور خواهند بود روش بازخوانی اسپین یا تغییر اسپین را تغییر دهند ولی این یافته، روشی جدید ارائه می دهد که با کنترل مدار چرخش الکترون، اسپین هم قابل کنترل خواهد بود.
این پژوهش در 27 مارس در ژورنال نیچر، توسط اساتید فیزیک دانشگاه کرنل به نام های پل مک یوئن و دنیل رلف و پژوهشگران اسبق این دانشگاه به نام های شهل ایلانی که هم اکنون در مؤسسه ی علوم وایمن اسرائیل فعالیت می کند، و فردیناند کوئیمیث که هم اکنون در دانشگاه هاروارد حضور دارد، گزارش شده است.
نانو لوله های کربنی، استوانه های خیلی ریزی هستند که سطوح جانبی آنها از اتم های کربن ساخته می شود که نهایتاً شکلی شبیه به آرایش شش ضلعی های به هم وصل شده را که تقریباً شبیه یک شبکه ی سیمی لوله شده می باشد، به وجود می آورند. به جای چرخش الکترون های تنها حول هسته ی یک اتم، اتم های آزاد یک نانو لوله پیرامون محیط دایروی لوله می چرخند. در ضمن، اسپین الکترونی که می چرخد می تواند دو جهت داشته باشد. تاکنون فیزیک دانان اعتقاد داشتند که چهار حالت ممکن برای یک الکترون، همگی با یکدیگر هم ارزند. این چهار حالت از ترکیب دو حالت برای اسپین(در جهت های بالا و پایین) و دو حالت برای جهت چرخش الکترون ها(ساعتگرد و پادساعتگرد) حاصل می شود. پژوهشگران برای امتحان این ادعا، با استفاده از «تسهیلات علم و فن آوری نانو مقیاس دانشگاه کرنل(CNF)»، یک دستگاه ریزی ساختند که شامل یک نانو لوله ی کربنی است با قطر 5 نانومتر و طول 500 نانومتر که بین دو الکترود قرار دارد و این لوله بالای یک ساختار سیلیکونی قرار دارد تا بتواند بارهای الکتریکی مختلفی به لوله تحویل دهد. طراحی این دستگاه امکان ساخت نقطه های کوانتومی را میسر کرد. نقطه های کوانتومی متشکل از تعدادی الکترون است که در طول مسیر به یک الکترون کاهش می یابد.
پژوهشگران با اعمال یک میدان مغناطیسی در طول محور لوله و اندازه گیری جریان گذرنده توانستند سطوح انرژی الکترون ها را در چهار حالت ممکن که از ترکیب اسپین و مدار چرخش به وجود می آمد، مشخص کنند. آنها دریافتند که با تغییر جهت چرخش الکترون، انرژی هم تغییر می کند. جهت چرخش الکترون روی اسپین تأثیر می گذارد و بر عکس.
ایلانی گفت: "با وجود این، نمی توان استفاده از نانو لوله ها در محاسبات کوانتومی را کنار گذاشت بلکه باید قوانین جدیدی برای طراحی آنها در نانو لوله ها مشخص کرد. از نقطه نظر فیزیک پایه این نکته جالب توجه است که این توپولوژی استوانه ای منحصر به فرد نانو لوله ها است که به الکترون ها اجازه می دهد که مدارهای چرخش مشخصی داشته باشند و به تبع آن این ترکیب به وجود می آید."
مشابه همین آزمایش برای حفره ها انجام گرفت. حفره، جای خالی الکترون است و معادل با حرکت بارهای مثبت در طول لوله می باشد. باز اعتقاد بر این بود که انرژی یک حفره می تواند همانند یک الکترون با اسپینی مشابه به آن باشد ولی آزمایش خلاف این را نشان داد.
استانداردسازی نانولوله‌های کربنی
منظور از استاندارد، یکاها و مقیاس های اندازه گیری است. این مفهوم می‌تواند به معنای یکاهای اندازه‌گیری مانند متر، کیلوگرم، ثانیه و نظایر آن باشد و یا مقیاس‌های فیزیکی از قبیل میلة یک‌متری، وزنة یک کیلوگرمی و امثال آن را در برگیرد. در مفهوم دوم، استاندارد کتابچه یا مجموعة مکتوبی است شامل مقررات و اصولی برای تنظیم امور فنی، صنعتی، علمی و تجاری. بخشی از سهم استانداردسازی فناوری‌نانو به استانداردسازی نانومواد که نانولوله‌های کربنی بخشی از این گسترة وسیع ‏هستند مربوط می‌شود. ‏در حال حاضر در دنیا فعالیت بسیار گسترده‌ای روی استانداردسازی فناوری‌نانو در حال انجام است. این متن به گوشه‌ای از فعالیت ‏های کمیته‌های استانداردسازی و راهبردهای پیشنهادی و برنامه‌های مختلف بین‌المللی برای استانداردسازی فناوری‌نانو ‏ اشاره میکند.
مقدمهبه طور کلی واژه استاندارد در دو مفهوم عمده به‌کار برده می شود در مفهوم اول منظور از استاندارد یکاها و مقیاس های اندازه گیری است. این مفهوم می‌تواند به معنای یکاهای اندازه‌گیری مانند متر کیلوگرم ثانیه و نظایر آن باشد و یا مقیاس‌های فیزیکی از قبیل میله یک‌متری وزنه یک کیلوگرمی و امثال آن را در برگیرد. در مفهوم دوم استاندارد کتابچه یا مجموعه مکتوبی است شامل مقررات و اصولی برای تنظیم امور فنی صنعتی علمی و تجاری. با توجه به برنامه 13 سند راهبرد آینده مبنی بر استانداردسازی فناوری‌نانو برای رسیدن به سهم مناسبی از تجارت جهانی اهداف شناخته شده در استانداردسازی فناوری‌نانو عبارت است از: بررسی اثرات نبود استاندارد بر رشد بازار نانو و شناسایی نیازهای استانداردسازی برای توسعه بازار این تولیدات. بخشی از سهم استانداردسازی فناوری‌نانو به استانداردسازی نانومواد که نانولوله‌های کربنی بخشی از این گستره وسیع هستند مربوط می‌شود. در حال حاضر در دنیا فعالیت بسیار گسترده‌ای روی استانداردسازی فناوری‌نانو در حال انجام است. گوشه‌ای از فعالیت های کمیته‌های استانداردسازی و راهبردهای پیشنهادی و برنامه‌های مختلف بین‌المللی برای استانداردسازی فناوری‌نانو عبارتند از:
• فرهنگ اصطلاحات و عبارات نانوذرات ( که در ماه می‌ سال 2005 در انگلستان به وسیله BSI تهیه شده است (UK PAS Vocabulary))
• تأسیس کمیته فناوری‌نانو ایزو (ISO/TC229)
• تهیه مستندات استاندارد P1650 توسط مؤسسه IEEE.
به نقل از رئیس این گروه کاری دکتر دان گاموتا (Dan Gamota) از شرکت موتورل نسخه پیش‌نویس این استاندارد به منظور ارائه در رأی‌گیری ماه ژوئن سال 2005 آماده شد. این استاندارد شامل رویه‌ای برای تعیین ویژگی‌های الکتریکی یک نانولوله کربنی دوجهته است.
• کشور چین هفت استاندارد ملی در زمینه فناوری‌نانو تهیه کرده است.
• در کشورهای انگلستان ژاپن و آمریکا نیز کمیته‌های ملی استانداردسازی فناوری‌نانو تأسیس شده است.
• در کشور کره یک گروه کاری در زمینه نانولوله‌های کربن تشکیل شده است که در زمینه استانداردسازی اندازه‌گیری خلوص و پایداری نانولوله‌ها در محلول‌ها مطالعه می‌کند.
این گروه همچنین در حال برنامه‌ریزی به منظور استانداردسازی اندازه‌گیری میزان انتشار نانولوله‌های کربنی است.
• کمیسیون اروپ راهبرد استانداردسازی فناوری‌های نانو را تا سال 2007 تهیه خواهد کرد
• .کره نیز یک کمیته تخصصی در ارتباط با نانولوله‌های کربنی تشکیل داده است این کمیته در حال حاضر در حال بررسی خواص است.
• کمیته E56 سازمان ASTM به وسیله 12 کشور تأسیس شده و دارای گروه‌های کاری زیر است:
o اصطلاحات
o تعیین ویژگی‌ها
o ایمنی و بهداشت محیط زیست و محیط کار
o قوانین حقوق معنوی
o همکاری‌های بین‌المللی
o استانداردهای تولید.
چالش‌های استانداردسازی نانولوله‌های کربنی
با توجه به تاریخچه نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی و عوامل تأثیرگذار بر کاربرد آن مباحث مربوط به نانولوله‌ها و نانوالیاف به چهار گروه زیر تقسیم‌بندی می‌شود: 1. مباحث اقتصادی و قانونی 2. مباحث ایمنی و بهداشت 3. مباحث نقل و انتقال و بسته‌بندی 4. اطلاعات فنّی. از لحاظ تاریخچه بررسی نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی می‌توان به این جمع بندی رسید که استانداردسازی نانولوله‌های کربنی باید در چارچوب حوزه‌های فوق بررسی شود و به صورت عملیاتی می‌توان فهمید که موانع زیر از جمله موارد تجاری‌سازی نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی هستند: 1. خطر‌ه سلامتی و ایمنی 2. قراردادهای نقل و انتقال و فرایند مواد جدید 3. پایداری در کیفیت تولیدات (درجه خلوص ناخالصی کنترل پایداری و غیره) 4. آشنا نبودن با طراحی و تولید 5. عدم وجود ابزار و قوانین طراحی 6. عدم دسترسی به مواد در حجم انبوه و قیمت مناسب 7. ابزار و قوانین تحلیلی برای شناسایی ترکیب نانومواد موجود در مواد کامپوزیت 8. قوانین حقوق معنوی. همچنین مشکلات شناسایی‌شده در مورد کیفیت نیز به شرح زیر طبقه‌بندی شده است: 1. نبود استاندارد مشخص برای نانولوله‌های کربنی 2. وجود تفاوت‌های زیاد در انواع نانولوله‌های کربنی تولیدی 3. نبودن امکان تجاری‌سازی به علت وجود همین تفاوت‌ها. تدوین یک برنامه کنترل کیفیت نیز ضروری است که مزایای زیر را در پی دارد: 1. ایجاد ثبات و اطمینان در فرایندهای جدید 2. ایجاد ثبات و اطمینان در تولیدات جدید 3. بهبود قابلیت اطمینان تولیدات 4. افزایش کنترل بر روی فرایندها و محصولات. در کل می‌توان نتیجه گرفت که مشکل عدم استفاده انبوه از نانولوله‌های کربنی در صنعت نداشتن توانایی در ارائه کیفیت یکسان است نه ظرفیت پایین تولید آنها و این اصلی‌ترین چالش صنعت است. از سوی دیگر تدوین قوانین جدید و حساسیت‌های ایجاد شده در مورد تأثیر این مواد بر سلامت انسان و محیط زیست محدودیت‌هایی جدّی برای تولید‌کنندگان و عرضه‌کنندگان این مواد به وجود می‌آورد (به ویژه در مورد نانوذرات آزاد یعنی ذراتی که به وسیله شبکه‌های مولکولی به دام نیفتاده باشند) . در تدوین چنین قوانینی جهت تسهیل ارتباط میان عرضه‌کنندگان و مشتریان محصولات فناوری‌نانو ضرورت وجود یک مجموعه اصطلاحات عرضه کنندگان و مشتریان محصولات فناوری‌نانو نیز مورد توجه قرار می‌گیرد. نظریه‌ای مبنی بر لزوم قرارگیری کلیه نانومواد کربنی در خانواده بزرگ نانوالیاف (CNF's) وجود دارد لذا در این مورد تعریف کلّی به صورت «الیاف گرافیت‌ها و مواد کربنی با ابعاد متوسط کمتر از500 نانومتر» ارائه می‌شود. هرچند نکته فوق دارای اهمیت و پشتوانه علمی است ولی با توجه به مقبولیت عبارت نانولوله کربنی نمی‌توان از جوامع علمی و صنعتی انتظار داشت تنها از اصطلاح نانوالیاف استفاده نمایند. تعریف رایج ابعاد نانو بین یک تا صد نانومتر است این با ابعاد معرفی شده در تعریف فوق همخوانی ندارد. به همین دلایل تعریف فوق از حیظ انتفاع ساقط می‌گردد.
استانداردسازی کلید تجاری‌سازی فناوری‌نانو
فاکتورهای کلیدی و موانعی که تولیدکنندگان و عرضه‌کنندگان نانولوله‌های کربنی باید به منظور موفقیت در تجاری‌سازی و کاربرد محصولاتشان مدنظر قرار دهند به‌طور خلاصه عبارتند از:
• تنوع زیاد تولیدات و نبود تعاریف شفاف
• تولید فرایندهای تولیدی و دسترسی به مواد در حجم بال
• قیمت هزینه‌های تولید بالا و در نتیجه قیمت بال
• نیاز به سرمایه‌گذاری‌های مشترک یا همکارهای صنعتی
• حقوق مالکیت فکری
• کیفیت و قابلیت تولید یکسان نمونه‌ه
• روش‌های کالیبراسیون و تعیین ویژگی‌ه استانداردسازی
• قرار داشتن در مراحل اولیه رشد فناوری به نحوی که بسیاری از کاربردها هنوز در فاز R&D هستند
نیازمندی مباحث ایمنی و بهداشتی به اطلاعات و قوانین بیشتر.
تست روش مشخصه‌یابی اثر
استخراج PAH استاندارد اصلاح شده ASTM- Dl618-99 چسبندگی/تخلخل
مقاومت الکتریکی ASTM D257-99 هدایت الکتریکی
دانسیته بالک استاندارد اصلاح شده ASTM D IS09-99 توزیع/ هدایت الکتریکی
درصد رطوبت ASTM E 394-00/DINS 3586 چسبندگی/ تخلخل
درصد کاتالیست خلوص/ شیمی
روش‌ها و ابزار اندازه‌گیری برای مشخصه‌یابی نانولوله‌های کربنی
بسیاری از روش‌هایی که امروزه به‌کار می‌روند بین تولیدکنندگان مختلف مشترک بوده و استانداردهای آنها موجود است. صنایع مختلف برای استفاده از روش‌ها و استانداردهای مشترک باید به اجماع برسند. استاندارد سایر روش‌ها (از قبیل پارگی الیاف ابعاد و طول) هنوز تهیه نشده است. روش‌های فعلی تعیین ویژگی‌ه زمان‌بر گران و نیازمند ابزار اندازه‌گیری جدید است. نکات مهم در مقوله مشخصه‌یابی به شرح زیر است:
روش‌‌های اندازه‌گیری و مشخصه‌یابی که در حال حاضر برای ارزیابی نانولوله‌های کربنی استفاده می‌شوند
تست روش مشخصه‌یابی خلوص
آنالیز SEM (کربن B) DIN VS3242-1 مکان‌ها و ساختارهای مرجع سطحی
آنالیز TEM TEM ویسکوزیته
بررسی سطح ویژه DIN 66731/ISO 4652-1 (کربن B) ترشوندگی
اندازه‌گیری انرژی سطحی کروماتوگرافی گازی معکوس چسبندگی/ ترشوندگی
شیمی سطح طیف‌سنجی نوری اشعه X
از روش‌های مختلف موجود باید برای تست همه محصولات استفاده کرد. استانداردها و روش‌های موجود نظیر درصد نانولوله‌های کربنی طول و قطرها هنوز توسط نیافته‌اند. روش‌های شناسایی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی موجود بسیار کند و گران قیمت است و برای نمونه‌های بالک قابل استفاده نیست.
برگه اطلاعات فنی مواد
در تهیه استاندارد برای نانولوله‌های کربنی باید مدل واحدی برای برگه‌های اطلاعات فنی ارائه گردد تا مشتریان قادر باشند به راحتی خواص مواد تولیدکنندگان مختلف را بررسی و مقایسه نمایند. نکاتی که در مباحث اندازه‌گیری خواص باید مورد توجه قرار گیرد عبارتند از:
پارامترهای مورد نیاز برای کنترل کیفیت محصولات حاوی نانولوله‌های کربنی
بررسی‌های ساختاری بررسی سطحی بررسی سطحی
دانسیته بالک سطح ویژه سطح ویژه
دانسیته ظاهری انرژی سطحی انرژی سطحی
هدایت الکتریکی PH PH
هدایت گرمایی محتوی درصد اتمی C,N,S,O محتوی درصد اتمی C,N,S,O
قطر محتوی PAH محتوی PAH
طول محتوی آب محتوی آب
مدول یانگ نوع تخلخل (میکرو / مزو) نوع تخلخل (میکرو / مزو)
بررسی امکان انطباق روش‌های آزمونی که در حال حاضر در صنعت کربن سیاه مورد استفاده قرار می‌گیرند کاربردهای جدید مورد نیاز روش‌های استاندارد به دست‌آمده و آزمون‌های غیر استاندارد موجود تست‌های استاندارد ASTM که برای ارزیابی صنعت کربن سیاه ارائه می‌شوند به قرار زیر است:
هیدروکربن‌های پلی‌آروماتیک
مقاومت الکتریکی بالک و توده محصول
دانسیته بالک محصول
درصد رطوبت محصول
درصد کاتالیست در محصول 2. نیاز به دستورالعمل‌های آزمون استاندارد شده 3. بررسی آزمون‌های غیر استاندارد شامل تحلیل SEM تحلیل TEM سطح ویژه نمونه انرژی سطح شیمی سطح. برای انجام تست‌های استاندارد و جستجوی روش‌های استاندارد باید امکان وجود چنین استانداردهایی مورد بررسی قرار گیرد:
محتوای کاتالیست فلزی (با استفاده از روش شیمی‌تر)
دانسیته بالک (ASTM)
مقاومت الکتریکی ویژه بالک (ASTM)
میزان کربن موجود (با استفاده از TGA)
پایداری حرارتی (با استفاده از TGA)
محتوای ترکیبات آلی
محتوای ترکیبات اکسید فلزی
محتوای رطوبت بالک (ASTM)
سطح ویژه محصولات
ضریب حساسیت مغناطیسی (روش آماده‌سازی نمونه)
پاسخ زیست‌شناسی. علاوه بر این مقوله‌هایی همچون طول قطر جهت‌گیری ویژه نانولوله‌های کربنی در راستای قطر (Chirality) دانسیته نقایص تابع کار و دیگر خواص نیز باید مورد بررسی قرار گیرد. نکات مهم در بررسی طول و قطر (برای نمونه‌های بالک)
استاندارد‌های CENTS
لزوم بهبود روش‌ها (SEM و TEM)
تعریف اندازه نمونه
نمونه‌گیری خوب و با سطوح اطمینان کافی
آیا تجهیزات حاضر عملکرد مشابهی دارند یا خیر
اندازه‌گیری اتوماسیون.
موانع استانداردسازی در این حوزه:
جهت‌گیری و خمیدگی نانولوله‌‌های کربنی
جداسازی توده‌های نانولوله‌های کربنی از یکدیگر
روش.
نکات مهم در بررسی درصد خلوص (برای نمونه‌های بالک)
درصد وزنی و اتمی آن
بررسی کارهای انجام شده در آمریکا و ژاپن (روش‌‌های صحیح) و استانداردهای حاضر در این زمینه
تعریف اندازه نمونه
نمونه‌برداری صحیح با تست‌های استانداردی نظیر T
لزوم توسعه روش‌‌ها (SEM و TEM) یا روش‌‌های ترکیبی از آنه
استفاده از تجهیزات یکسان برای انجام تست‌ها.
موانع استانداردسازی در این حوزه:
روش‌
قدرت تفکیک دستگاه‌ها.
امنیت و خطرات زیست‌محیطی در حوزه استانداردسازی نانولوله‌های کربنی
ملاحظات مربوط به تولید و استفاده ایمن از نانولوله‌های کربنی
مشتریان باید در مورد چگونگی کاربرد مواد آگاه شوند لذا تهیهبرگه‌های اطلاعات ایمنی مواد ضروری است.
تولیدکنندگان نانوکامپوزیت‌ها باید آزمون‌های آزاد شدن نانولوله‌ها (به عنوان مثال بر اثر سوختن) از ماده اصلی را انجام دهند زیرا نتایج این آزمون‌ها به نوع مواد و کاربرد آنها بسیار وابسته است.
مطالعات میزان سمی بودن راه‌های انتشار و حدود ایمنی انتشار در هوا باید از سوی مرجعی بی‌طرف انجام شود. در این زمینه فعالیت‌هایی در حال انجام است از قبیل پروژه Nanosafe در اروپا و دو پروژه دیگر که تحت حمایت مالی اتحادیه اروپا آغاز شده‌اند.
تا زمانی که اطلاعات میزان سمی بودن و ایمنی مواد تهیه نشده‌اند بخش صنعت مسئول تولید ایمن نانولوله‌های کربنی بوده باید اقدامات لازم برای به حداقل رساندن خطرات محیط‌های کاری را انجام دهد. همچنین نیاز به استانداردهای زیر وجود دارد. 1) ممانعت از انتشار ذرات در محیط‌های کاری 2) حفاظت از کارکنان 3) اندازه گیری و کنترل ذرات در محیط کار. اما با این حال برای کنترل فرایندهای تولیدی هیچ استاندارد مشخص و متداولی وجود ندارد و به جای آن از استانداردهای کارخانه‌ای استفاده می‌شود. مباحث مشابهی نیز در مورد مصرف‌کنندگان مطرح است. وجود یک شاخص جهت تعیین تراکم مجاز مواد در هوا در محیط‌های صنعتی و اتاق‌های تمیز ضروری به نظر می‌رسد. سیاست‌های جلوگیری از خطر و پیشنهادهایی برای کاربرد ایمن نانومواد
با توجه به اینکه نتایج مطالعات مربوط به خطرات نانوذرات هنوز تکمیل نشده‌اند باید رویه‌هایی برای به حداقل رساندن این مخاطرات ارائه شود.
مقابله با خطرهای تولید نانولوله کربنی باید مشابه هر ماده بالقوه خطرناک دیگر باشد. برای این کار باید فرایند را در سیستمی بسته محدود کرد تا انتشار مواد در محیط به حداقل برسد.
ابزار حفاظتی مورد استفاده در صنعت کربن سیاه را به عنوان مرجع در تولید نانولوله‌های کربن نیز به کاربرد.
میزان کارامدی این ابزار حفاظتی (مثل ماسک‌ها و فیلترها) باید در مورد نانولوله‌ها مورد بررسی قرار گیرد. شرکت انگلیسی Thomas Swan یکسری آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌ها در زمینه تجمع ذرات در محیط‌های کاری انجام داده است. نتایج این بررسی به زودی منتشر می شود و انتظار می‌رود به عنوان مرجعی برای سایر شرکت‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
علاوه بر این مانند سایر بخش‌های صنعت تولیدکنندگان باید آزمایش‌های پزشکی سالیانه‌ای را روی کارکنان خود به منظور اطمینان از حفظ سلامت آنها انجام دهند.
پیشنهاد تولیدکنندگان است که در حین فرایندهای به‌کارگیری محصولات آنه باید توجهات خاصی از سوی مشتریان یا سایر تولیدکنندگان صورت گیرد زیرا فرایندها بسته نبوده و در نتیجه خطر انتشار آنها در محیط بالاست.
با هدف تضمین کیفیت تولیدکنندگان باید قالب واحدی برای برگه‌های داده ایمنی مواد تهیه نمایند که در آنها اطلاعاتی کافی در مورد راه‌های بالقوه انتشار این مواد و روش صحیح حمل و نقل آنها به مشتریان داده شود.
طول قطر و نقطه پارگی الیاف به عنوان سه نیاز اصلی در روش‌های اندازه‌گیری پروژه‌های استانداردی جدید معرفی شوند. بخش صنعت باید اطلاعات مرجعی در مورد تراکم رطوبت و مقاومت ویژه کلوخه‌های مواد ترکیبات شیمیایی و اندازه‌گیری سطح ویژه با استفاده از روش‌های آزمون استاندارد تهیه نماید. این کار شامل تعیین روش استاندارد تهیه نمونه نیز می‌گردد (تهیه اطلاعات مرجع و تعیین روش استاندارد آماده‌سازی نمونه می‌تواند در قالب یک استاندارد صنعتی ارائه گردد). هرچند توانایی اندازه‌گیری خواص الیاف و لوله‌ه از قبیل هدایت الکتریکی حرارتی و الکتریکی در هر دو جهت (طول و عرض) مدول یانگ مقاومت کششی و برشی مورد نیاز بوده و در مواردی خاص ضروری نیز هست بهتر است که توسعه چنین توانایی‌هایی به دانشگاه‌ها سپرده شود.
نانولوله‌های کربنی؛ تداوم ابتکارات و چالش‌هااصولاً نانولوله‌های کربنی نانوساختار‌های خودسامانی هستند که از صفحات اتم‌های کربن شش ضلعی که به شکل استوانه‌هایی قرار گرفته‌اند ساخته می‌شوند. نانولوله‌ها به عنوان مدل‌هایی از دانش نانو و شاخه‌های مرتبط با آن توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این علاقه ویژه به نانولوله‌ها از ساختار و ویژگی‌های بی‌نظیر آنها سرچشمه می‌گیرد؛ ویژگی‌هایی همچون:
• اندازه بسیار کوچک ( قطر کمتر از 0.42 نانومتر)
• حالت فلزی و نیمه‌رسانایی آنها بر حسب شکل هندسی‌شان
• برخورداری از خاصیت منحصر به فرد ترابری پرتابه‌ای
• قدرت رسانایی گرمایی خیلی بالا
اکنون پژوهش‌ها در مورد نانولوله‌ها به مرحله‌ای رسیده است که ارائه دهنده فهم خوبی از ساختار، ویژگی‌ها و همچنین روابط درونی آنها می‌باشد. از سوی دیگر موانع بزرگی در این دانش بر اثر فقدان فهم دقیق از مکانیسم رشد و همچنین نداشتن کنترل بر روی شیوه ترکیب نانولوله‌ها در جهت دستیابی به قطر و ساختار مورد نظر به‌وجود آمده است.
هم اکنون نتایج جالبی در خصوص ویژگی‌های ساختمانی، الکترونیکی، نوری و همچنین رسانایی این ساختار‌های ریز و منظم حاصل شده‌ است. این تحقیق به گونه‌ای مطلوب، پیشرفت‌های فعلی و ماهیت تحقیقات آینده را نشان می‌دهد.
نانولوله‌ها در الکترود‌های باتری و حسگرهای نانوالکترونیکی کاربرد دارند.
نانولوله‌های کربنی تک جداره کربن (SWNT) فقط از کربن و یک ساختار ساده (ورقه‌ای از شش ضلعی‌های منظم) تشکیل شده‌اند.
برخی پیش‌بینی‌های تئوری، حاکی از آن است که که SWNTها می‌توانند فلزی یا نیمه رسانا باشند، البته این احتمالات پیش از آن که در آزمایشگاه بررسی شوند، مطرح شده است. از آغاز تحقیق بر روی SWNT، از آن‌ها به عنوان یک پدیده تک بعدی نام برده می‌شد، تا این که این تئوری مرحله به مرحله پیشرفت کرد. اکنون که نانولوله‌ها از سایر مواد شیمیایی ساخته شده‌اند، می‌توان به گستره وسیعی از ویژگی‌های نوین دست پیدا کرد.
بررسی تفاوت نانولوله‌های تک بعدی با نانوسیم‌‌های تک بعدی هم‌جنس، اطلاعات جالب و مفیدی را ارائه می‌کند.
تحقیقات در زمینه نانولوله‌ها اکنون به جایی رسیده است که فهم خوبی از ساختار، ویژگی‌ها و روابط درونی آن‌ها، دست آمده است.
بسیاری از پدیده‌های غیر قابل انتظار که در گرافیت اتفاق نمی‌افتند، در نانولوله‌ها کشف شده‌اند که این پدیده نه فقط به فناوری نانولوله‌ها بلکه به همه شاخه‌های دانش نانو، انرژی و حیاتی دوباره بخشیده است.
از آغاز، تاکید عمده تحقیق نانولوله‌ها بر روی بخش سنتز بوده است که مهم‌ترین مرحله فناوری نانولوله‌ها است. از سویی پیشرفت سریعی صورت گرفته تا کنترل بر روی فرآیند سنتز افزایش یابد، قطر نانولوله‌ها باریک‌تر شود، نقص‌ها و ناخالصی‌ها به حداقل برسد و کارایی تولید افزایش یابد.
عمده‌ترین کاوش‌ها در کنترل سنتز نانولوله‌ها شامل موارد ذیل می‌شود:
• سنتز خوشه‌های کاتالیزوری مولکولی با شکل و ابعاد مشخص با دقت اتمی؛
• رشد آرام؛
• سنتز کاتالیزوری در دمای پایین؛
• توسعه رشد برنامه‌ریزی ‌شده با امکان کنترل زیاد اندازه و جهت نانولوله‌ها؛ سنتز پیچیده و سازماندهی شده شبکه یا آرایه‌هایی از نانولوله‌ها روی مواد درشت مقیاس؛
از آنجایی که SWNTها به همراه تعداد متنوعی از انواع کربن، ذرات کاتالیزوری و سایر مواد ناخواسته رشد می‌کنند، توجه زیادی صرف خالص‌سازی نانولوله‌ها شده است. این امر منجر به پیدایش روش‌‌هایی در جهت مشخص کردن درجه خلوص نانولوله‌ها و طبقه‌بندی آنها بر حسب طول، قطر و... گردیده است.
این مسئله به تفصیل در مقاله‌ای به وسیله هادون بیان شده است. مساله سنتز و جداسازی هم در مقالة‌ لیو آمده است. این دو مقاله به سمت ارائه دستاورد‌هایی حرکت می‌کنند که ممکن است نهایتاً به کنترل کامل فرآیند سنتز نانولوله‌ها بیانجامند.
با بهبود سنتز، مشکلات موجود در فرآیند جداسازی و خالص‌سازی را می‌توان به مقدار زیادی کم و یا به کل رفع نمود.از سوی دیگر، اگر روش‌‌های جداسازی و خالص‌سازی دقیق توسعه داده شوند، می‌توان موانع رشد را ردیابی کرد. همگرایی و ترکیب این دو بخش، می‌تواند منجر به تثبیت تولید نانولوله‌هایی با قطر و پیچش معین گردد.
پر کردن نانولوله‌ها با فلورین‌ها راهی به سوی استفاده از نانولوله‌ها به عنوان یک قالب برای بسیاری از نانوساختارهای جدید می‌باشد. علاوه بر این، تبدیل حرارتی فلورین‌های کپسوله شده به یک نانولوله کربنی، منجر به دوجداره شدن آن می‌گردد. نانولوله‌های کربنی دو جداره (DWNTها) یک الگوی اولیه برای مطالعه کمی ساختار و ویژگی‌های نانولوله‌های چندجداره (MWNT) می‌باشد.
به دلیل پایداری و ماندگاری دوجداره‌ها و چندجداره‌ها نسبت به تک جداره‌ها، این نانولوله‌ها در کاربردهایی که مقاومت مکانیکی، سختی و هدایت گرمایی بالایی را طلب می‌کند از توان بیشتری برخوردارند.
فضای موجود در هسته خالی نانولوله‌ها و سطح پیوسته داخلی آنها می‌تواند به خلق ساختار‌های غیر معمول بیانجامد.
گام‌های بلندی در سنتز ساختار‌های جدید و توصیف ساختاری آنها برداشته شده است؛ اما هنوز بررسی نشده که چگونه این ذرات می‌توانند به ساختار‌های جدید نانوسیم‌ها مربوط شوند و نانوسیم‌ها چگونه به مواد توده‌ای سه بعدی ارتباط پیدا می‌کنند.
گستره وسیعی از تحقیقات جالب نشان دهنده شکل‌گیری نانوسیم‌های درون وجهی (endohedral) در درون SWNTها می‌باشد.
با توجه به اندازه‌گیری و خواص، بیشترین توجه به مطالعات بر روی خصوصیات انتقالی مشاهده شده در ترانزیستور‌های اثر میدانی FET ؛یعنی ترابری پرتابه‌ای، اثرات ترانزیستور تک‌الکترونی، چگالی بالای جریان، عملکرد خوب FET و برخورداری از کارکردهای متنوع، معطوف شده است.
در حالی که قدرت تحرک بالا و انتقال بالستیک تا حدی به سبب تکامل ساختاری نانولوله‌ها می‌باشد، ولی پایداری شیمیایی و استحکام نانولوله‌ها آنها را در بین سایر مواد الکترونیکی، بی‌نظیر ساخته است. دستاورد‌های اخیر در زمینه خصوصیات انتقال الکترون در نانولوله‌های نیمه‌رسانا و فلزی یک جداره، در مقاله‌ای از مک اوئن و پارک توضیح داده شده‌اند.
همچنین فیزیک نوری در نانولوله‌ها به عنوان ابزاری برای مطالعه الکترون و پدیده اپتوالکترونیک، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. پیشرفت‌ها در این زمینه و چالش‌های بعدی، در مقاله‌ای از جوریو عرضه شده است.
از آنجا که پراکندگی، رامان، جذب و انتشار نوری در SWNTها، به حالت الکترونیکی تک جداره بستگی داشته و فرآیندهایی بسامد افزا هستند، این خواص، روش آسانی را برای بیان توزیع قطر و توزیع خاصیت فلزی SWNTها در یک نمونه ارائه می‌دهند.
امروزه در روند تحقیق درباره نانولوله‌ها توجه و تأکید ویژه‌ای بر روی استفاده از نانولوله‌ها در ساخت ابزارها متمرکز شده است. اکثر پژوهشگرانی که در دانشگاه‌ها و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی سرتاسر دنیا بر روی نانولوله‌ها کار می‌کنند با خوش‌بینی پیش‌بینی می‌کنند که در آینده‌ای نزدیک نانولوله‌ها کاربردهای صنعتی وسیعی خواهند داشت. در حال حاضر بیشترین کاربرد MWNTها در مواد کامپوزیت برای افزایش استحکام آنها و در باتری‌های لیتیومی برای بهبود عملکرد و طول عمر آنها می‌باشد.
هم اکنون امکان ساخت ابزار‌های بسیار جالبی وجوود دارد، اما در خصوص موفقیت تجاری آنها، باید در آینده قضاوت کرد.
تقریباً تمام مقالات به‌طور ضمنی به کاربرد نانولوله‌ها و بهره‌برداری تجاری از آنها در آینده اشاره دارند. آینده کاربرد نانولوله‌ها در بخش الکترونیک روشن است. خصوصیات الکتریکی و پایداری شیمیایی بی‌بدیل نانولوله‌ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از این خواص سوق می دهد.
نانولوله‌ها در آستانه کاربرد در ترانزیستور‌های سریع هستند؛ اما آنها هنوز هم در اتصالات داخلی استفاده می‌شود. بسیاری از طراحان دستگاه‌ها تمایل دارند به پیشرفت‌هایی دست پیدا کنند که آنها را به افزایش تعداد اتصالات داخلی دستگاه‌ها در فضای کوچک‌تر، قادر ‌نماید. در اینجا نانولوله‌ها وعده‌های بزرگی را با خود به همراه دارند؛ نانولوله‌هایی به عنوان حسگر‌های مواد زیستی و شیمیایی خصوصا در ساختار‌های مینیاتوری پیچیده، نوید بخش هستند.
در چند سال اخیر تعامل بین نانولوله‌ها و سیستم‌های زیستی شامل پروتئین‌ها، DNA و سلول‌های زنده به طور مداوم افزایش پیدا کرده است. این بخش یک قسمت جذاب و نسبتاً جدیدی از دانش نانولوله‌ها است.
تا به‌حال نتایج و دستاورد‌های جالبی از تحقیق در خصوص نانولوله‌ها به دست آمده است. البته می‌توان منتظر یافته‌های بسیار فراوانی در طی چند سال آینده نیز بود.
ذخیره‌سازی متان در نانولوله‌های کربنییکی از مسائلی که امروزه در مبحث انرژی مطرح است، چگونگی ذخیره سازی سوخت‌های پاکی مانند هیدروژن، متان و... برای کاربردهای مختلف است. در حالت عمومی ذخیره سازی گاز طبیعی فشرده در وسایط نقلیه در سیلندرهای استیل سنگین و در فشارهای بالا (20 تا 30 مگا پاسکال)صورت می‌پذیرد در حالیکه ذخیره سازی گاز به روش ANG(adsorbed natural gas) در محفظه‌های سبک و با فشارهای نسبتا پائینی (در حدود 4 مگا پاسکال)صورت می‌پذیرد، بنابراین ذخیره سازی گاز طبیعی به روش ANG می‌تواند یک انتخاب بسیار موثرتر باشد زیرا در فشارهای پایین هزینه‌های کمتری صرف ذخیره سازی می‌شود. امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذب‌های متنوعی مانند کربن فعال شده(AC)، کربن اشتقاقی کربید(CDC)، زئولیت‌ها و نانولوله‌های کربنی تک دیواره(SWCNT)، نانولوله‌های کربنی چند دیواره(MWCNT)و... صورت می‌پذیرد. در این مقاله مروری داریم بر مکانیزم ذخیره سازی گاز متان با استفاده از نانولوله‌های کربنی و در نهایت نتایج کار محققان مختلف را در زمینه ذخیره سازی گاز‌ها با استفاده از نانو ساختارهای کربنی، مورد ارزیابی و مقایسه قرار می‌دهیم.
مقدمه
جذب گاز طبیعی در مواد متخلخلی مانند زئولیت‌ها، کربن فعال شده (AC) غربال‌های مولکولی، کربن اشتقاقی کربید، بررسی و مطالعه شده است. اخیراً نانولوله‌های کربنی بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل یکنواخت، استقامت کششی زیاد، هدایت الکتریکی، بسیار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولوله‌‌های کربنی به دو صورت تک دیواره (SWCNT) و چند دیواره (MWCNT) می‌باشند. تحقیقات زیادی به منظور جذب گاز متان که یکی از اجزای مهم گازطبیعی است، روی نانولوله‌های کربنی تک دیواره صورت گرفته است. این در حالی است که مطالعات درباره جذب گاز متان روی نانولوله‌های کربنی چند دیواره محدود می‌باشد. اما در بررسی‌های انجام شده به نظر می‌رسد، خواص جذب گاز روی SWCNTها و MWCNTها کاملاً متفاوت می‌باشد.
مکانیزم جذب متان توسط نانولوله‌های کربنی
در مطالعه ای که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هیدروژن با فولرین‌ها ونانولوله‌های کربنی نشان دهنده این مطلب بود که یون هیدروژن H+ با کربن‌های هیبرید شده SP2 از هر دو ماده تشکیل کمپلکس می‌دهد.Xianren و[2 Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبیه سازی GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) برای بررسی جذب CH4 در داخل SWCNTها استفاده نمودند.
Bien fait از پراکندگی نوترون برای تشخیص نفوذ مولکول‌های CH4 در SWCNTها استفاده کرد و در این فرایند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که یک نمونه مربوط به فاز شبه جامد برای یک مجموعه پیوند قوی‌تر در دمای 120 درجه کلوین و دیگری مربوط به کامپوننت‌های شبه مایع برای مجموعه پیوندهای ضعیف‌تر در 70 تا 129 درجه کلوین است.
شکل1- سیستم ذخیره سازی گاز به روش ANG
بنابراین، مجموعه های جذبی متان در سطوح داخلی و خارجی نانولوله‌های کربنی به دو صورت شبه مایع و شبه جامد می‌باشد. همچنین گزارش شده است[1] که CNT هیدروژنی با هیدروژن مرزی متناوب داخلی/خارجی (H-CNTزیگزاگی)0.55 eV پایداتر از CNT هیدروژنی است که همه هیدروژن‌های آن خارجی باشند(H-CNT آرمچیر) و در این حالت (H-CNT زیگزاگی)، فرمر، مولکول‌های متان را با زاویه پیوندی تقریبا قائم در بر می‌گیرد. به‌طوری که متان به‌طور قوی‌تری روی سطوح خارجی H-CNT زیگزاگی ذخیره می شود تا روی سطوح داخلی H-CNT زیگزاگی و H-CNT آرمچیر.
از آنجایی که متان بصورت چهارگوش است و زاویه‌های پیوندی H-C-H در حدود 109.5 درجه است، کشیدکی الکترون‌های فعال شده کربن روی چهار اتم هیدروژن پیوندی اثر می‌گذارد به صورتی که روی اتم‌های هیدروژن کمبود جزئی الکترون به وجود می‌آید، به همین دلیل، مکانیزم جذب متان روی سطوح داخلی و خارجی نانولوله‌های کربنی به صورت شبه مایع و شبه جامد می‌باشد.[3]
در مسیر مکانیزمی که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[3]، مولکول متان با ساختار چهاروجهی با زاویه پیوندی تقریبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازی تا روی جاذبی با پیوند SP2 C=C که نسبتا غنی از الکترون است، عبور می‌کند. دراین حالت چون اتم‌های هیدروژن مولکول‌های متان به خاطر کشیده شدن الکترون‌ها به سمت کربن مرکزی دارای کمبود جزئی الکترون هستند، یک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتیونی شامل دو پروتون را تشکیل می‌دهند. این یون می‌تواند بطور درون مولکولی، گروه SP2 C=C را با یک پیوند SP3 C-C پایدار کند که مشابه با فضا گزینی [1]در واکنش‌های شیمیایی است. اینچنین فضا گزینی در جذب سطحی با سایز روزنه محدود شده، کوپل و یک نیروی انقباضی روی جذب شعاعی متان بعدی و پیوند هیدروژنی بین SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد می‌کند. از آنجاکه هر دو دارای یک ساختار چهاروجهی هستند، این امر منجر به تشکیل یک فاز شبه مایع در روزنه CNT می‌شود. از طرف دیگر سطح خارجی CNT هیچ نوع محدودیتی در جذب ندارد، بنابراین مولکول‌های متان بیشتری روی کربوکاتیون غیرپایدارحاضرجذب می‌شوند.
این پدیده می‌تواند باعث جذب گازهای بیشتری در شکل فاز شبه مایع متان روی سطح داخلی شود زیرا فضای کافی برای پیوندها یا ارتعاشات مولکولی وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سیال، یک پدیده متداول است.
ذخیره سازی گاز به روش ANG
شکل 1 سیستم ذخیره سازی گاز به روش ANG را نشان می‌دهد. به منظور کنترل دمای فرایند، سلول بارگیری(Loading Cell) و سلول جاذب (Adsorption Cell) و خطوط ارتباطی در یک حمام آب قرار دارند. قبل از شروع آزمایش بایستی ناخالصی‌های سلول جذب را توسط یک پمپ خلاء زدود و وزن جاذب را در خلاء کامل اندازه گیری کرد، زمانیکه دما در سلول‌های بارگیری و جاذب به حد مطلوب رسید (حالت تعادل اولیه) آزمایش شروع می‌شود. میزان فشار و دما در سلول‌ها همانطور که در شکل نشان داده شده است به یک رکوردر موبایل گزارش می‌شود و به این صورت زمان تعادل واکنش در هنگامیکه فشار و دمای فرایند ثابت باقی ماند (حالت تعادل دوم) مشخص می‌شود سپس با موازنه جرم (معادله 1) بر مبنای دما و فشار اندازه گیری شده قبل و بعد از حالت تعادل می‌توان ظرفیت جاذب را تعیین کرد.
که در معادله فوق، P، فشار، T، دما، V، حجم، R، ثابت گاز، M، وزن مولکولی، Z، ضریب تراکم پذیری گاز و Nتعداد مولکول‌های جذب شده است. زیرنویس 1 نشان دهنده وضعیت تعادلی اولیه و زیرنویس 2 نشان دهنده وضعیت تعادلی نهایی است.[4]
مروری بر ذخیره سازی گاز متان در نانو ساختارها
شکل2- جذب متان در شرایط آزمایشگاهی با دمای 303 درجه کلوین (■)روی SWNHs فشرده شده، و ایزوترم‌های شبیه سازی شده (-) در SWNTs آرایه مربعی و (---) آرایه مثلثی
Elena Bekyarova توسط اشتعال لیزری گرافیت، نانوهورن‌های (نانوشاخ) کربنی تک دیواره‌ای (SWNH) را برای ذخیره سازی گاز متان، در دمای اتاق و بدون کاتالیست، تولید کرد (شکل 2). سایز و شکل مجموعه با نوع و فشار گاز بافر در حفره، کنترل می‌شود. این ساختارهای کربنی در آرگون با فشار760 تور آماده می‌شوند. بخار کربن ذرات گرافیتی را با سایز یکنواختی در حدود 80 نانومتر تولید می‌کند که از SWNHsبا قطر حدودا 2 تا 3 نانومتر ترکیب شده‌اند. دانسیته توده که در این روش ذخیره سازی گاز متان استفاده شده است (SWNHs فشرده شده در فشار 50 مگا پاسکال زیر خلاء)، 0.97 گرم بر سانتیمتر مکعب می‌باشد. همانطور که در شکل 2 مشاهده می‌شود ایزوترم‌های جذب متان با دمای 303 کلوین در این آزمایش بر اساس طبقه بندی BDDT از نوع I می‌باشند. داده‌های آزمایشگاهی جاذب SWNHs با داده‌های SWNTهای آرایه مربعی و آرایه مثلثی شبیه سازی شده، مقایسه شدند. ایزترم‌های نانولوله‌های سرباز(opened-end) آرایه مربعی و آرایه مثلثی با فاصله واندروالسی 0.34 نانومتر(فاصله بین دیواره‌ها و لوله‌های مجاور) با استفاده از روش GCMC شبیه سازی شده اند. در فشارهای کم، ظرفیت جاذب SWNHها مشابه با SWNTهای آرایه مربعی می‌باشد اما در فشارهای بالاتر از 4 مگا پاسکال نانولوله‌های تک دیواره آرایه مثلثی ظرفیت بیشتری را برای جذب گاز متان نشان می‌دهند بنابراین آرایش لوله ‌ها در SWNTها می‌تواند فاکتور مهمی در ذخیره سازی گاز متان باشد. ظرفیت ذخیره سازی جاذب‌های SWNHفشرده شده در دمای 303 کلوین و فشار 3.5 مگا پاسکال، حدود 160 cm3/cm3 و ظرفیت ذخیره سازی جاذب‌های SWNT با استفاده از روش مونت کارلو و DFT در دمای اتاق و فشار 4 مگا پاسکال 198گرم بر متر مکعب می‌باشد و این در حالی است که ظرفیت ذخیره سازی کربن فعال شده در دمای 303 درجه کلوین و فشار 3.5 مگا پاسکال در حدود 96 cm3/cm3 است.[6]
متاسفانه گزارش‌های آزمایشگاهی و تحقیقاتی اندکی درباره ذخیره سازی متان روی آرایه‌های SWNT موجود است. Murise و همکارانش تنها رفتار فازی وجذبی متان روی نانولوله‌های تک دیواره را در دماهای پایین بررسی کردند.[6] Talapatra و همکارانش بطورآزمایشگاهی میزان جذب گازهای متان، گزنون و نئون را روی دسته‌های SWNTاندازه گیری کردند و بطور غیرمنتظره ای مشاهده کردند که هیچ گازی در فواصل بین آرایه ای SWNT جذب نشده است. [7]با این وجود این بدان معنا نیست که فواصل بین آرایه‌های SWNT دیگر نمی توانند گاز را جذب کنند. پس از مدتی، در یک مقاله دیگر از همان گروه مشاهده شد که گاز متان می‌تواند در دسته‌های SWNT سردسته (Closed-end)، جذب شود. [8]بنابر این مشاهدات و مقایسه آنها با شبیه سازی‌هایBekyarova می‌توان به این نتیجه رسید که فاصله واندروالس یک فاکتور اولیه موثر روی میزان جذب متان در فواصل بین آرایه‌های SWNT است (شکل3 ). در پی این نتیجه، Cao و همکارانش تحقیقات خود را در راستای بهینه سازی فاصله واندروالس بین لوله‌ها در آرایه‌های SWNT ادامه دادند. این گروه با استفاده از روش مونت کارلو جذب متان را روی SWNTهای آرایه مثلثی در دمای اتاق بررسی کردند. در دیواره این نانولوله‌ها اتم‌های کربن به صورت آرمیچیر قرار گرفته‌اند. از نتایج این کار مشخص شد که SWNT با آرایه مثلثی و فاصله واندروالسی 0.8 نانومتر بیشترین مقدار گاز متان را در دمای اتاق جذب می‌کند. در فشار 4.1 مگا پاسکال ظرفیت حجمی و ظرفیت جرمی جذب متان روی آرایه‌های SWNT(15,15) با فاصله واندروالسی0.8 نانومتر216 v/v و215g CH4/Kg است.[9]
شکل3- برش عرضی از آرایه‌های مثلثی نانولوله‌های تک دیواره
همانطور که گفته شد مطالعات و تحقیقات جذب گاز متان روی نانولوله‌های کربنی چند لایه نسبت به نانولوله‌های کربنی تک لایه محدودتر می‌باشد. از جمله کسانی که در این زمینه کار کرده است Sunny E.Iykenv از کشور مالزی است. وی توانست نانولوله‌های کربنی چند دیواره را با تکنیک رسوبدهی بخار شیمیایی کاتالیست شناور(FCCVD) تولید کند. این تکنیک می‌تواند در تولید انبوه نانولوله‌های چند دیواره با هیبریدهای مختلف مورد استفاده قرار گیرد. نانولوله‌های کربنی با هیبرید SP2 دارای بزرگترین سایز روزنه هستند. سایز روزنه در SP2 44.4 نانومتر و در SP1 وSP3 وSP4 به ترتیب برابر 9.1و8.9و8.7 نانومتر است. گاز متان بصورت مایع و شبه جامد روی نانولوله‌های تولید شده جذب می‌شود. ایزوترم‌های بدست آمده از آنالیزر BET در این آزمایش در شکل 5 نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، ایزوترم‌های جذب برای کربن‌های SP1 و SP2از نوع III می‌باشند در حالیکه ایزوترم‌های جذب متان برای کربن SP3 دارای سه نقطه اوج است که احتمالا مربوط به تغییر فاز می‌باشند. از این گذشته ایزوترم دمای 15 درجه سانتیگراد دارای دو نقطه اوج می‌باشد که نمایشگر نقاط تغییر فاز می‌باشند. در این آزمایش مشاهده می‌شود که جذب متان توسط نانولوله‌های کربنی چندلایه نسبتا پایین است در حالیکه با افزایش فشار بر مقدار گاز جذب شده اضافه می‌شود.
شکل4- تصاویرTEM از پنج نمونه CNT(SP2F,SP1,SP1,SP3,SP4) که نمونه آخر دارای متان جذب شده است.
پس از آن در آزمایش‌هایی که توسطJae-Wook Lee انجام شد، نانولوله‌های کربنی چند دیواره با روش رسوب دهی بخار شیمیایی(CVD) با طول یکنواخت و قطر مشخص ساخته شدند، شکل10 تصاویر TEMوSEM نانولوله‌های چندلایه کربنی ساخته شده را نشان می‌دهد. ضخامت دیواره‌ها در حدود 15 تا 20 نانومتر و طول آنها در حدود 20 تا 30 میکرومتر و دانسیته توده در حدود 0.005 تا 0.006 گرم بر سانتی متر مکعب است. در این آزمایش گاز متان مورد استفاده دارای خلوص 99.9 درصد است. نتایج آزمایشگاهی که در این روش بدست آمده است در دماهای 301.15 و313.15 و323.15 کلوین و در فشاری تا 3 مگا پاسکال موجود می‌باشد که در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور که از این جدول پیداست ظرفیت نانولوله‌های چند دیوارهکربنی در فشارهای پایین تر از 1.5 مگا پاسکال بسیار کم می‌باشد در حالیکه در فشار‌های بالاتر نیز میعان موئینگی رخ می‌دهد. به علاوه فشار میعان موئینگی با دما افزایش می‌یابد. [10]در شکل 6 ایزوترم‌های جذب متان نشان داده شده اندکه مشاهده می‌شود ایزوترم‌های جذب متان در گستره دمایی این آزمایش، از نوعIV می‌باشند.[4]
شکل5- ایزوترم‌های جذب/دفع متان در CNTها، (a) دفع متان از SP2 در دماهای مختلف. (b) جذب متان روی SP1,SP2 (در دماهای مختلف) وSP3
شکل6- ایزوترم‌های جذب متان روی نانولوله‌های کربنی چند دیواره
نتیجه‌گیریبررسی جذب گاز درنانو ساختارها نشان می‌دهد که پارامترهای روزنه و دانسیته جادب می‌تواند در میزان جذب گاز بسیار موثر باشد به طوری که خواص روزنه‌ها در SWNHهای فشرده شده به گونه ای است که در دمای 303 درجه کلوین و فشار 3.5 مگا پاسکال، ظرفیت ذخیره سازی گاز متان این نوع جاذب 160 v/v می‌باشد. در ارتباط با SWNTها می‌توان گفت که آرایش آنها و فاصله واندروالسی در آنها از پارامترهای مهم در میزان ذخیره سازی گاز طبیعی می‌باشد. همانطور که در نمودار شکل 2 نشان داده شده است، میزان جذب گاز در SWNTهای آرایه مربعی و آرایه مثلثی در فشارهای پایین تقریبا یکسان است و این میزان در فشارهای بالاتر از 4 مگا پاسکال در SWNTهای آرایه مثلثی افزایش می‌یابد. همچنین SWNTهای آرایه مثلثی با فاصله واندروالسی 0.34 نانومتر در فشار 4.11 مگاپاسکال ظرفیتی در حدود 170 v/v برای ذخیره سازی گاز متان دارند در حالیکه این ظرفیت در SWNTهای بهینه شده با فاصله واندروالسی 0.8 نانومتردر شرایط یکسان به 216 v/v می‌رسد که حتی بیشتر از ظرفیت ذخیره سازی CNGدر فشارهای 20 تا 30 می‌باشد(200 v/v).
جدول 2- میزان جذب گاز روی نانوساختارها و سایر جاذب‌های متداول [4]
جاذب gCH4/kgC V/V دما(K) فشار(MPa)
کربن فعال شده 144 298 0.95
کربن فعال شده پودر شده 168 165 298 4.0
کربن فعال شده مرطوب 200 273 10
مخازن CNG 200 30-20
SWNHs 160 303 3.5
SWNTs(آرایه مثلثی با فاصله واندروالسی0.34 نانومتر) 170 303 4.11
SWNTs(آرایه مثلثی با فاصله واندروالسی 0.8 نانومتر) 215 216 303 4.11
MWCNT 14 303.15 1.55

جدول1- نتایج آزمایشی جذب متان در نانولوله‌های چند لایه کربنی
(T )=303.15 K (T )=313.15 K (T )=323.15 K
P (MPa) N (mmol.g-1) P (MPa) N (mmol.g-1) P (MPa) N (mmol.g-1)
0.032 0.019 0.041 0.033 0.038 0.043
0.081 0.136 0.113 0.154 0.092 0.064
0.156 0.227 0.227 0.185 0.169 0.091
0.255 0.256 0.388 0.263 0.292 0.175
0.367 0.403 0.598 0.416 0.441 0.224
0.559 0.438 0.862 0.438 0.627 0.244
0.798 0.518 1.196 0.523 0.878 0.341
1.114 0.698 1.570 0.611 1.189 0.336
1.546 0.862 1.979 1.084 1.551 0.378
1.948 1.481 2.408 1.498 1.968 0.684
2.376 1.818 2.838 1.698 2.507 1.252
2.745 1.886 2.836 1.350
در بررسی MWCNTها با توجه به جدول 2 مشاهده می‌شود که ظرفیت این نانوساختارها در فشارهای پایین، بسیار کم و در حدود 14 g/Kg است و در فشارهای بالاتر میعان موئینگی رخ می‌دهد. بعلاوه فشار مناسب برای میعان موئینگی با افزایش دما، افزایش می‌یابد.
امکان ابررسانایی دمای اتاق در نانو لوله های کربنی
کشف ابررساناهای سرامیکی گرم در سال 1986[1] را، انقلاب علمی قرن بیستم نام نهادند و ارزش آن را حتی از کشف ترانزیستور بالاتر پنداشتند. جایزه نوبل سال 1987 نیز به کاشفان آن تعلق گرفت. پیشرفتهای زیاد، در ساخت ابررساناهای گرم، و امید به رسیدن به ترکیبی که بتواند در دمای اتاق ابررسانا باشد، دنیای فیزیک را به فعالیتی شبانه روزی واداشت. طی 5 سال بعد از کشف ابررساناهای گرم، دمای بحرانی ابررسانایی در ترکیبات جیوه دار به K134 رسید[2] دمایی که 5 سال قبل از آن در تصور هیچ فیزیکدانی نمی گنجید. متاسفانه این دمای بحرانی هنوز به صورت یک رکورد باقی مانده است و ترکیب جدیدی با دمای بحرانی بالاتر کشف نگردیده است. این رکود قدری فعالیت فیزیکدانان را در این زمینه کمتر کرد و کم کم این سوال پیش آمد که آیا برای رسیدن به ابررسانایی دمای اتاق باید سیستمهای سرامیکی را کنار گذاشت و به سراغ سیستمهای دیگری رفت؟
با کشف ابررسانایی در فولرنها و نانو لوله های کربنی حوضه جدیدی در فیزیک گشوده شد.
پس از کشف کربن 60 در سال 1985 توسط Kroto و همکارانش از دانشگاه ساسکس و با توجه به کاربردهایی که برای آن متصور شدند مجددا‍ٌ آن را انقلاب علمی جدیدی پنداشتند. آلاییدن کربن 60 با فلزات قلیایی خاکی، ابررسانایی را به دنبال داشت. در ترکیبات A3C60 (Aفلزات قلیایی خاکی) ابررسانایی تا K 33 در ترکیب RbCs2C60 کشف گردید[3]. در کربن 60 دوپ شده با حفره ‍، ابررسانایی در K52 بدست آمد [4]. همچنین در ترکیب C60/CHCl3 و C60/CHBr3 ابررسانایی به ترتیب در K70 و K117 مشاهده گردید [5].
آنچه که موضوع را مهیج می کند امکان بروز ابررسانایی دمای اتاق در نانو لوله های کربنی است. ابررسانایی دمای اتاق که فیزیکدانان آن را در سیستمهای سرامیکی دنبال می کردند و افق روشنی برای آن نمی دیدند آنان را واداشته تا ابررسانایی دمای اتاق را در نانو لوله های کربنی دنبال کنند. به همین منظور فعالیتهای وسیعی در این زمینه شروع شده است که آن را با کشف ابررسانایی گرم مقایسه می کنند.
در سال 1991 محققین ژاپنی در حین ساختC60 اشیاء سوزنی شکلی بر روی الکترود منفی دستگاه ایجاد کننده قوس الکتریکی یافتند. آزمایشهای متعدد نشان داد که این اشیاء سوزنی شکل، صفحات گرافیتی لوله شده ای هستند که دارای قطری در محدوده nm 1 وطولی در حدود میکرومتر هستند. این نانو لوله ها که می توانند تک جداره (SWNT) و یا چند جداره (MWNT) باشند دارای نوک مخروطی شکل وبسته ای هستند و این امکان را دارند تا به روشهای شیمیایی باز شده وبا ذخیره کردن مواد خاصی در آنها مثل ئیدروژن، Ni و یا Liاز آنها به عنوان پیلهای سوختی با عمر طولانی ویا کاربردهای متعدد دیگر استفاده کرد. مطالعه فیزیکی این نانو لوله ها با ضخامتهای بسیار کم به عنوان یک سیستم شبه یک بعدی، مورد توجه شدید فیزیکدانان قرار گرفته است. یک مطالعه نظری نشان می دهد که دریک سیستم شبه یک بعدی امکان بروز ابررسانایی حتی تا K500 وجود دارد. عامل بروز ابررسانایی مدهای پلاسمونی آکوستیکی غیر میرا در سیستم شبه یک بعدی می باشد[6].علاوه بر این ابررسانایی دمای بالا می تواند در یک سیستم الکترونیکی چند لایه به واسطه جاذبه حاملهای بار در یک لایه رسانا از طریق تعویض پلاسمونهای مجازی در لایه مجاور رخ دهد[7].
با توجه به این تئوریها، نانولوله های کربنی تک جداره(SWNT)و چند جداره (MWNT) با توجه به ضخامت آنها (1 nm) که به طور منحصر به فردی شبه یک بعدی اند برای بروز ابررسانایی دمای بالا با واسطه پلاسمونی ایده آل به نظر می رسند. ضمن اینکه نانو لوله های چند جداره هم یک بعدی اند و هم دارای ساختار الکترونیکی چند لایه می باشند. مطالعات دیگر نشان می دهد[8] که نانو لوله های کربنی بستر مناسبی برای حرکت زوج کوپر فراهم می آورند و به عبارتی رسانای زوج کوپر میباشند(در ابررساناها، حاملهای بار زوج الکترونهایی هستند که توسط عوامل مختلف همدیگر را به جای دفع، جذب می کنند و همین جاذبه عامل ابررسانایی است. این زوج الکترون را زوج کوپر می نامند). کشف ابررسانایی K 15 در نانو لوله های کربنی خالص [9،10] نه تنها حیرت دانشمندان را به دنبال داشته بلکه قضایایی را که حدود 40 سال پیش انتقال فاز را در سیستمهای یک و یا دو بعدی ممنوع می دانستند رد کرده است.
Zhao و همکارانش [11] دلایل متعددی را ارائه کرده اند که می توان ابررسانایی دمای اتاق را در نانو لوله های کربنی یافت. آنها بیش از 20 دلیل ارائه کرده اند که این نانو لوله ها ی کربنی از خود خواصی را نشان می دهند که بیانگر ابررسانایی دمای اتاق در آنها است.
آنچه که جالب است تلاقی دو انقلاب علمی یعنی ابررسانایی و نانو تکنولوژی است. بی شک ابررسانایی دمای اتاق رویایی در ذهن فیزیکدانان است. خصوصاٌ اینکه ماده ای در ابعاد نانو در دمای اتاق بتواند جریان الکتریسیته را بدون اتلاف حمل نماید می تواند کاربردهای متعدد و غیر قابل تصوری را در شاخه های مختلف علمی و صنعتی داشته باشد. کشف ابررسانایی دمای اتاق جایزه نوبل را نصیب کاشفان آن می کند و به نظر می رسد که این کاشفان باید امیدهای خود را در نانو لوله های کربنی جستجو کنند.
استفاده از نانولوله‌های کربنی در پیل‌های خورشیدیبرای افزایش بازدهی تبدیل انرژی نور خورشید، روش‌ها و ابداعات جدیدی مورد نیاز است. در این مسیر استفاده از نانولوله‌های کربنی در سیستم‌های جمع‌آوری فوتون (ذرات نور) مسیری جدید در طراحی این سیستم‌ها به وجود آورده‌است. این مقاله به بحث دربارةروش‌های استفاده از نانولوله‌های کربنی به عنوان الکترودهای حساس به فوتون و نقش آنها در تبدیل انرژی خورشیدی به جریان الکتریسیته می‌پردازد.
سازمان ملل متحد، آیین‌نامه‌ای را تحت عنوان تثبیت میزان غلظت گازهای گلخانه‌ای اتمسفر در حدی که بتواند از خطر تداخل آنتروپوژنیک (anthropogenic) با سیستم آب و هوایی جلوگیری کند، به عنوان یکی از پیمان‌نامه‌های زیرساختاری قرار داده‌است؛ این در حالی است که تا سال 2050 میلادی ده تریلیون وات (TW) انرژی بدون انتشار کربن باید تولید شود که تقریباً معادل همة منابع انرژی‌های موجود تا به امروز است.
برای مواجه شدن با افزایش تقاضای انرژی در آینده‌ای نزدیک، چاره‌ای جز جستجوی منابع انرژی پاک که از نظر پسماند نیز مشکلی نداشته باشند، وجود ندارد. سوخت‌های فسیلی و مشتقات آنها، سوخت هسته‌ای و سوخت‌های تجدید‌پذیر از اصلی‌ترین منابع تأمین‌کنندة ده تریلیون وات انرژی در سال‌های آتی هستند.
در میان انرژی‌های تجدیدپذیر (مثل باد، آب، زمین گرمایی (hydrogeothermal) ، خورشید)، انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی تمام‌ناشدنی یکی از قابل قبول‌ترین منابع برای دستیابی به این تقاضای انرژی در آینده است. فعلاً انرژی تولیدشده از نور خورشید کمتر از 01/0 درصد از تقاضای انرژی در جهان است. اگر چه انرژی خورشیدی و تشعشعات آن در مقالات و تحقیقات زیادی مورد بررسی قرار گرفته‌است ولی به‌منظور دستیابی به روش‌های اقتصادی‌تر و دارای راندمان بالا برای جمع‌آوری فوتون‌ها نوآوری‌هایی لازم است.
طی دهة اخیر نانومواد به‌عنوان سیستم‌هایی جدید برای جمع‌آوری انرژی نور مطرح شده‌اند. خواص کم‌نظیر الکتریکی و الکترونی، پایداری بالای الکتروشیمیایی و سطح بالایی که این گونه مواد ایجاد کرده‌اند انگیزة بسیاری از محققان را در به‌خدمت گرفتن نانوساختارهای کربنی (مثل نانولوله‌های تک دیواره) برای تبدیل انرژی‌های مختلف برانگیخته‌است، به طور مثال فولرین‌ها خواص فوتوشیمیایی بالایی از خود نشان می‌دهند و به عنوان پرتابه الکترون (electron shattle) در پیل‌های خورشیدی فوتوشیمیایی عمل می‌کنند. این مواد در بهبود بازده پیل‌های فوتوولتائیک (photo voltaic) آلی نقش مهمی را ایفا می‌کنند.
در پیل‌های خورشیدی معمول فوتوشیمیایی، لایة نیمه‌هادی به عنوان الکترودهای فوتواکتیو عمل می‌کند که با تحریک نور مرئی، جفت الکترون- حفره ایجاد می‌کنند. یکی از حامل‌های بار (مانند الکترون) به‌سمت الکترود شمارنده رانده می‌شود؛ در حالی که عامل بار دیگر (حفره) به‌وسیلة جفت اکسایش - کاهش موجود در الکترولیت حذف می‌شود و به این ترتیب جریانی از فوتون ایجاد می‌شود.
نانولوله‌های تــــــک‌دیواره (SWNT) و نانولـــــــوله‌های (stacked- cup (SCCNT، به عنوان دو نوع از بهترین نانولوله‌های کربنی در تبدیل انرژی خورشیدی در مقالات معرفی شده‌اند. نانولوله‌ها به‌صورت معمول از شبکه‌های شش‌ضلعی کربنی تشکیل شده‌اند که مورفولوژی خاص آنها و در دسترس بودن سطوح داخلی و خارجی آنها برای افزودن عوامل شیمیایی و اصلاح این سطوح، کاربردهای جدیدی را برای این مواد در فرایندهای کاتالیستی و الکترونیکی به وجود آورده‌است.
نانولوله‌های تک‌دیوارة موجود شامل هر دو نوع نانولوله‌های فلزی و نانولوله‌های نیمه‌هادی با کایرالیتی متفاوت هستند. تابع کار (work function) نانولوله‌های تک‌دیواره حدود 8/4- الکترون ولت بر اساس میزان خلاء مطلق (AVS) است. نانولوله‌ها دارای باندگپی در بازة صفر تا 1/1 الکترون ولت هستند که البته کاملاً به کایرالیتی و قطر لوله‌ها بستگی دارد. هنگامی که باند گپ نانولوله‌های نیمه‌هادی تحریک می شود، دچار جداسازی بار می‌شوند.
از نانولوله‌های کربنی در سلول‌های خورشیدی به دو صورت استفاده می‌کنند (شکل 1) :
1 - تحریک مستقیم باند گپ نانولوله‌های نیمه‌هادی؛
2 - استفاده از نانولوله‌های رسانا به عنوان مجرایی برای عبور حامل‌های بار از نانوساختارهای جمع‌کنندة نور.
در بخش بعد روشی که نانولوله‌ها را به‌صورت لایه‌ای متراکم درآورده و به عنوان الکترود حساس به فوتون روی سطح رسانای پیل‌های خورشیدی می‌نشانند توضیح داده شده‌است. شمایی از دو روش موجود در شکل (1) آمده ‌است.
رسوب الکتریکی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره روی الکترود شیشه‌ای رسانا
قدم اول در ساخت پیل‌های خورشیدی، سوار کردن نانولوله‌ها به‌صورت فیلم نازک روی سطح الکترود است که در این زمینه روش‌های مختلفی وجود دارد. در این آزمایش از روش بسیار مؤثر رسوب الکترو فورتیک (electrophoretich) در نشاندن نانولوله‌های کربنی روی سطح الکترود، استفاده شده است.
ابتدانانولوله‌های کربنی به همراه نمک آمونیوم (تترا اُکتیل آمونیوم برماید یا TOAB) در تتراهیدروفوران (THF) حل می‌شوند. سپس این سوسپانسیون به پیل الکترو فورتیک شامل دو الکترود موازی شفاف به نور (OTE) به ضخامت پنج نانومتر، انتقال می‌یابد. بعد از برقراری ولتاژ 40 ولت مستقیم (dc) نانولوله‌ها به‌سمت الکترود مثبت رفته، بعد از دو تا سه دقیقه فیلم نازکی از نانولوله‌های تک‌دیواره روی سطح الکترود رسوب می‌کند (شکل 2) با افزایش زمان اعمال ولتاژ، ضخامت فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره افزایش می‌‌یابد. لایه تشکیل‌شده کاملاً قوی و برای اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی نیز مناسب است.
هنگامی که میدان مستقیم بین دو الکترود شیشه‌ای بیشتر از 100V/Cm باشد نانولوله‌ها به جای رسوب روی سطح در عرض فضای بین دو الکترود و به‌صورت صفوف هم‌خط و موازی روی هم‌ رسوب می‌کنند. این تجمع نانولوله‌های کربنی کاملاً از هم جدا بوده و به‌صورت بسیار جالب و مناسب در یک خط و به صورت عمود بر سطح الکترود قرار می‌گیرند. نمونه‌ای از آن چه در ولتاژهای بالا ایجاد شده در شکل (2) آورده شده‌است.
بنابراین به‌سادگی می‌توان جهت‌گیری و رسوب‌دهی لایه‌های نانولوله‌های تک‌دیواره را با کنترل ولتاژ تغییر داد. به روشی مشابه می‌توان فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره و SCCNT ، را روی سطح الکترودهای دیگری مثل صفحات بسیار نازک کربنی رسوب داد. برای تعیین مورفولوژی الکترودهای متشکل از نانولوله‌های تک‌دیواره و SCCNT از میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM استفاده شده که تصاویر آن در شکل (3) آورده شده‌است.
جداسازی بارهای القاء شدة فوتونی در فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره
از خواص جالب نانولوله‌‌های کربنی نیمه‌هادی، توانایی آنها در پاسخ‌دهی به نور است. به عنوان مثال در سالهای اخیر با استفاده از پاسخ الاستیک کلاف های موازی نانولوله‌های کربنی که بین دو الکترود فلزی قرار گرفته بودند، خاصیت تحریک‌پذیری فوتونی فیلم‌های نانولوله‌های کربنی مشخص شده است. آوریس و همکارانش (Avouris) پدیده لومینسانس حامل‌های تابش‌کنندة بار را به‌وسیلة ترانزیستورهای اثر- میدانی (FET) نانولوله‌های کربنی دو‌قطبی مشاهده کردند. الکترون- حفره‌ها به یک مدار خارجی تزریق می‌شوند و با ترکیب مجدد آنها نور تولید می‌شود.
گزارش‌های اخیر در مورد اثر فلوئورسانسی باند گپ از نمونه‌های نانولوله‌های نیمه‌هادی تک دیوارة منفرد، نشان می‌دهد که امکان تصحیح خواص اپتیکی نانولوله‌ به کمک نانولوله های منفرد وجود دارد. مطالعات اسپکتروسکپی نشان می‌دهند که زمان ماندن جفت الکترون- حفره در لبة لایه حدود صد فمتوثانیه بعد از القای فوتونی ون هو (van Hove) در ساختار لوله‌ای است. مطالعات اخیر نشان دهندة توانایی ساختار لایه‌ای نانولوله‌ها در جداسازی جفت الکترون- حفره به‌وسیلة القای نورمرئی است.
به‌منظور استفاده از حامل‌های بار تولیدشده به‌وسیلة فوتون برای ایجاد جریان الکتریسیته، ترکیب مجدد حامل‌های بار محدود شده فضایی در نانولوله به وسیلة برهم‌کنش‌های کولمبی با پیوندهای دوگانه که اکسایتون نام دارند، جفت می‌شوند. اغلب این اکسایتون‌ها از سطوح بالای 2 C و 2 V ، از طریق گذارهای بین باندی به ترازهای 1 C و 1 V زیر گپ افت کرده، و بدین ترتیب یک اکسایتون زیر باندگپ ثانویه (Second Sub-bandgap) را می‌سازند.
تنها کسر کوچکی از اکسایتون‌ ها قادر به تجزیه شدن و تشکیل الکترون- حفره‌های جفت‌نشده هستند. جداسازی اکسایتون‌ها به‌دلیل ایجاد حالت بارهای تفکیکی نقش مهمی در تولید جریان فوتونی دارد.
جداسازی بارها در نانولوله‌ها به‌وسیلة طیف‌سنجی با پروب پمپ لیزر فمتوثانیه‌ای (Femtosecond laser pump-probe spectroscopy) به‌خوبی مورد تحلیل و بررسی قرار می‌گیرد. این روش برای تحقیق در مورد فرایندهای بسیار سریع که بر اثر تحریک نانولوله‌های کربنی یا مواد نیمه‌هادی اتفاق می‌افتند،بسیار مفید است. در یک آزمایش واقعی، تغییرات جذب در نمونه در زمان‌های گذار متفاوت از طریق تحریک با یک پالس لیزری کوتاه ثبت شده‌است. طیف‌های جذبی مختلف در زمان‌های گذار مختلف با تحریک سوسپانسیون نانولوله‌های تک‌دیواره در HTF با پالس لیزری 387 نانومتر با پهنای 130 فمتوثانیه ثبت شده است. در شکل (5) نمونه‌ای از طیف جذب انتقالی و از بین رفتن جذب در پالس 700 نانومتر نشان داده شده‌است. القای فوتونی باعث رنگبری (bleaching) جذب نانولوله‌های تک‌دیواره در ناحیة قرمز طیف می‌شود. پهنای باند بی‌رنگ با تغییر قطر نانولوله‌ها و زاویه کایرال و توده شدن ذرات تغییر می‌کند و بی‌رنگ شدن در ناحیة مرئی که مطابق انتقال V2-C2 است در کمتر از یک پیکوثانیه تجدید می‌شود که از این بابت شبیه به ایجاد باند الکترون- حفره و یا انتقال برانگیختگی به باند C1- V1 است. محققان مشاهده کردند که جمع‌آوری جفت الکترون- حفره در باند گپ اصلی V1-C1 و طول عمرشان (100-10 پیکوثانیه) به‌شدت به برانگیختگی بستگی دارد. این دانشمندان براساس تفاوت‌هایی که بین بازیافت جذب انتقالی و از بین رفتن گسیل‌ها وجود دارد معتقدند که پیچیدگی‌های حالت‌های مختلف به دام انداختن بار، فاکتور مهمی در انتقال الکترونیکی محسوب می‌شود.
به طور کلی حضور چنین حالت‌های سطحی، در تثبیت حامل‌های بار تولیدی و شرکت در تولید جریان فوتونی بسیار مؤثر است و با افزایش احتمال جمع‌آوری در سطح الکترود، افزایش جداسازی بارها نیز قطعی می‌شود. بی‌رنگ شدن انتقالی که به دنبال القای پالس لیزری ایجاد می‌شود نشان‌دهندة تجمع تعداد قابل قبولی از حامل‌های بار روی نانولوله‌های تک‌دیوارة موجود است. سؤالی که در اینجا مطرح می‌شود چگونگی جمع‌آوری مناسب حامل‌های بار فوتوالقایی تولیدشده روی نانولوله‌های تک‌دیواره برای تولید جریان الکتریکی است، مانند آنچه در نیمه‌هادی‌های دیگر و پیل‌های فوتوولتائیک دیگر اتفاق می‌افتد.
سلول‌های خورشیدی فوتوالکتروشیمیایی با استفاده از نانولوله‌های تک‌دیواره و SCCNTهای رسوب‌داده‌شده به روش الکتروفورتیک، به عنوان الکترودهای حساس در مقابل ذره‌های فوتون، می‌توان سلول‌‌های فوتوالکتروشیمی ساخت. با تولید زوج اکسایش- کاهش مانند (-I2/I3) در حلال استونیتریل می‌توان الکترولیت رسانایی بین فیلم نانولوله‌ و الکترود شمارنده پلاتین به وجود آورد. شکل‌های (6) و (7) نشان‌دهندة پاسخ فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره در برخورد با نور گسیل‌شده است. نور برخوردی (با طول موج بزرگتر از 400 نانومتر) باعث برانگیخته شدن نانولوله‌های تک‌دیواره ها و تولید حامل‌های بار می‌شود. ایجاد آنی جریان فوتونی را بعد از برانگیخته شدن در شکل (6) مشاهده می‌کنیم. بیشترین جریان و ولتاژ ایجاد شده در این آزمایش به‌ترتیب 8µA/Cm2 و 12mV است. بازدهی تبدیل فوتونی به‌صورت نسبت فوتون‌های گسیل‌شده به حامل‌های بار (IPCE) تعریف می‌شود که با اندازه‌گیری جریان فوتونی در طول موج‌های القائی متفاوت به وجود آمده‌است. بیشترین مقدار IPCE در حدود 15/0 درصد در طول موج 400 نانومتر به دست آمده‌است، این در حالی است که انتظار می‌رفت این مقدار برای پیل‌های خورشیدی فوتوشیمیایی در بازة 90-80 درصد باشد. گرچه مقدار IPCE به‌دست‌آمده برای پیل‌های خورشیدی ایجادشده به‌وسیلة نانولوله‌ها نسبتاً کم است ولی قابلیت تکرار و تجدیدپذیری اثر فوتوالکتروشیمیایی می‌تواند باعث ایجاد جریان پایدار در زوج اکسایش- کاهش موجود (I2/I3-) شود.
تولید جریان کاتدی فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره سازوکاری را نشان می‌دهد که در آن حفره‌های تولیدشده به‌وسیلة فوتون در سطح OTE جمع می‌شوند و در یک گردش خارجی به الکترود شمارنده انتقال می‌یابد. ایجاد مجدد زوج اکسایش- کاهش (I2/I3-)، باعث پاک شدن سطح الکترود از بارها می‌شود که خود در رساندن جریان فوتونی به حالت پایدار نقش بسزایی دارد. مشاهدة جریان فوتونی کاتد باعث تقویت این نظریه می‌شود که نانولوله‌های تک‌دیواره استفاده‌شده در این تحقیق دارای خواص نیمه‌هادی نوع p هستند.
قرار دادن لایه‌ای از SnO2 روی OTE ، سطح وی‍ژه را برای جمع‌آوری بارهای تولیدشدة فوتونی افزایش می‌دهد و همان طور که از نتایج نیز برمی‌آید این افزایش سطح الکترود باعث سه برابر شدن جریان فوتونی در سیستم می‌شود. نانولوله‌های کربنی تک دیواره و یا چنددیواره اغلب حالت توده شدن و تجمعی به خود می‌گیرند؛ اما نانوذرات SCCNT هنگامی که روی سطح الکترود رسوب می‌کنند به‌صورت ذرات مجزا هستند.
تفاوت در شکل (مورفولوژی) این دو فیلم در تصاویر SEM (شکل 3) قابل مشاهده است. همان طور که در مطالعات قبلی نیز خاطر نشان شده‌است این لوله‌های توخالی دارای بخش عمده و قابل توجهی لبه‌های خارجی و روباز هستند که نیروی واندروالس بین لوله‌ها را به کمترین مقدار خود می‌رساند. به طور کلی فیلم‌های SCCNT در پیل های فوتو الکتروشیمیایی عملکرد بهتری نسبت به نانولوله‌های تک‌دیواره نشان می‌دهند.
الکترود OTE/SnO2/SCCNT به محض قرار گرفتن در معرض القای نورمرئی جریان فوتونی ایجاد می‌کند (فیلم SCCNT روی الکترود شیشه‌ای رسانایی ساخته شده‌است که روی آن ذرات SnO2 قرار گرفته‌است) .
برای ایجاد جریان آندی، الکترون‌های تولیدشدة فوتونی درSCCNT به‌وسیلة نانوکریستال‌های SnO2 جمع می‌شود. رفتار SCCNTهای به‌وجودآمده بیشتر شبیه نیمه‌هادی‌های نوع n است که درست مخالف رفتار فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره عمل می‌کنند. بررسی اثر آلایش ذاتی نانولوله‌ها (dopant) در طول سنتز آنها و یا تأثیر عوامل شیمیایی در ایجاد خواص نیمه‌هادی‌ نوع n یا p در نانولوله‌های کربنی بسیار مؤثر است. مقدار بازده تبدیل فوتون‌ها در طول موج‌های القایی متفاوت، در شکل (8) نشان داده شده‌است که بیشترین آن در چهار درصد بدون هیچ گونه بایاس و در 17 درصد تحت بایاس 2/0 ولت اتفاق می‌افتند. اعمال بایاس خارجی به‌‌وسیلة بار پتانسیل، فرایند جلوگیری از دوباره ترکیب شدن بارها در حرکت به‌سمت سطح الکترود را تسهیل می‌کند.
در شرایط یکسان آزمایشگاهی، مقدار IPCE ثبت‌شده برای الکترود SCCNT نسبت به الکترود نانولوله‌های تک‌دیواره یک مرتبه بزرگتر است. هدف ما بالا بردن کارایی سیستم نسبت به پیل‌های خورشیدی دیگر و رساندن این بازده به صد درصد، چیزی نزدیک به مدل‌های تئوری است که به‌وسیلة تصحیح خواص سطحی و مورفولوژی نانولوله‌های تک‌دیواره و SCCNT در حال انجام است.
هیبریدهای نانولوله‌ تک‌دیواره- نیمه‌هادی در سلول‌‌های فوتوالکتروشیمیایی که بر اساس نانوساختارها و یا فیلم‌های نیمه‌هادی مزوسکوپیک شکل گرفته‌اند انتقال الکترون در عرض ذرات، قابلیت کاهش بازترکیب مجدد در مرزدانة ذرات را دارد. استفاده از نانولوله‌های کربنی در سیستم‌های جمع‌آوری نور (مانند نیمه‌هادی‌ها) راه بسیار مؤثر و مناسبی برای تحت نفوذ قرار دادن همة سیستم‌های جمع‌آوری فوتون است. در شکل (9) این دو روش قابل مشاهده هستند. نانولوله‌های تک‌دیواره کاندیدای ایده‌آلی برای مجرای جمع‌آوری و انتقال بار سیستم‌های جمع‌آوری نور است. از موارد مورد توجه کامپوزیت CdS/SWNT (کادمیوم سولفید/نانولولة تک‌دیواره) است که می‌تواند به‌وسیلة نور مرئی جریانی فوتونی با راندمان بسیار بالا ایجاد کند. نانولوله‌های تک‌دیواره از روشنایی و درخشندگی کادمیوم جلوگیری می‌کند و درخشندگی آن به‌وسیلة نانولوله‌های تک‌دیواره فرو نشانده می‌شود.
آزمایش‌های جذب انتقال، غیرفعال شدن سریع برانگیختگی کادمیوم سولفید (CdS) را روی سطح نانولوله‌های تک‌دیواره تأیید می‌کند همان‌طور که بی‌رنگ شدن انتقالی آن در حدود 200 پیکوثانیه تجدید می‌شود.
به‌منظور آزمایش فرضیات مربوط به انتقال الکترون بین CdS برانگیخته شده و نانولوله‌های تک‌دیواره در لایة کامپوزیت، باید ذرات کادمیوم سولفید را روی الکترود نانولوله‌های تک‌دیواره رسوب دهیم (مثل OTE/SWNT/CdS) ؛ ابتدا به‌وسیلة رسوب دهی الکتروفورتیک فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره را روی OTE رسوب می‌دهیم و بافروبردن الکترودها در محلولی شامل Cd2+وS2- نانوکریستال‌های CdS شکل می‌گیرند، سپس الکترودها به‌وسیلة آب دیونیزه‌شده کاملاً شسته می‌شوند، به‌طوری که تنها یون‌های جذب‌شدة Cd2+ با S2- واکنش می‌دهد. قابل توجه اینکه بعضی از این روش‌های رسوب دهی جذب یونی شبیه به روش‌هایی است که برای ساخت فیلم‌های نانوساختار از فلزات کالکوژنی بر روی اکسید فلزات استفاده می‌شود. همچنین یون Cd2+ به‌آسانی روی نانولوله‌های تک‌دیواره جذب و با S2- واکنش داده و نانوکریستال‌های CdS را با ضخامت 500 نانومتر تشکیل می‌دهد.
در این جا از الکترود OTE/SWNT/CdS سلول فوتوالکتروشیمیایی شامل محلول استونیتریل با 1/0 درصد تری اتانول آمین که به عنوان دهندة الکترون از‌بین‌رونده‌است استفاده شده‌است. تری‌اتانول‌آمین در از بین بردن حفره‌های فوتونی ایجادشده در سطح الکترود، دچار اکسیداسیون غیرقابل برگشت می‌شود. با تحریک فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره بهبود یافته با CdS به‌وسیلة نور مرئی (380 <λ نانومتر) جریان فوتونی در آن مشاهده می‌شود.
برای حالتی که ولتاژ مدار باز حدود 200mV و جریان مدار کوتاه 6/2 میکرو آمپر است، تابعیت IPCE با طول موج القایی در شکل (10) نشان داده شده‌است. کم شدن IPCE در500 نانومتر و به دنبال آن جذب اختصاصی CdS مشاهده می‌شود (نمودار ضمیمه‌شده در شکل 10) . همان طور که در طیف‌های فعال جریان فوتونی مشخص است جریان ایجادشده، تحت تأثیر القای اولیه CdS قرار می‌گیرد. به علاوه مشاهدة جریان آندی فیلم SWNT/CdS، نشان‌دهندة جهت جریان از CdS به الکترود جمع‌آوری است که به‌وسیلة شبکة نانولوله‌های تک‌دیواره پوشانده شده‌است. به هر حال قابلیت سیستم‌های نانوکامپوزیتی CdS/SWNT در جداسازی بارهای فوتوالقایی موجب ایجاد روند جدیدی در طراحی ساختارهای جمع‌آوری نور شده‌است.
1) NT-H4P2++hv  SWNT-1 (H4P2+) +
2) (SWNT-1 (H4P2+) +  SWNT- (H4P+
ساختار نانولولة تک‌دیواره- پورفیرین
نانولوله‌های تک‌دیواره دارای سطح منحنی‌شکل ویژه‌ای هستند که اتصال آنها را به مولکول‌های آلی بزرگ به‌وسیلة برهم‌کنش‌های غیرکووالانسی یا نیروهای آب‌گریز، آسان می‌کند. مولکول‌هایی مانند مولکول‌ پورفیرین میل زیادی به ترکیب غیرکووالانسی با نانولوله‌های تک‌دیواره از طریق برهم‌کنش π-π دارند. برهم‌کنش بین پورفیرین و نانولوله‌های تک‌دیواره می‌تواند برای رسیدن به ساختار سوپرمولکولار تنظیم شود. برای رسیدن به ساختار مورد نظر می‌توان با استفاده از چنین خواصی، ترکیب پورفیرین- پروتونه (H4P2+) نوع H و J را به صورت توده‌شده روی سطح نانولولة تک‌دیواره جایگزین کرد. همچنین این پدیدة غیرمعمول‌، یعنی توده شدن روی نانولولة تک‌دیواره، می‌تواند کامپوزیت‌ها را به‌صورت باندهای خطی در کنار هم قرار دهد. پورفیرین یک مولکول فوتونی فعال است که اغلب به‌منظور ایجاد (تقلید) فرایند فوتوسنتز طبیعی در آزمایشگاه مورد استفاده قرار می‌گیرد. انتقال بار بین پورفیرین و نانولوله‌های تک‌دیواره به‌وسیلة القای نورمرئی انجام می‌شود. همچنین نانولوله‌های تک‌دیواره در انتقال الکترون‌های تولیدشدة فوتونی به سطح و جمع‌آوری در سطح پیل فوتوالکتروشیمیایی نقش بسزایی دارند و موجب تسهیل این امر می‌شوند. لایة هدایت نانولوله‌های نیمه‌هادی در بازة صفر تا نیم ولت بر حسب الکترود هیدروژنی نرمال (NHE) قرار می‌گیرد. انتقال بار از پورفیرین برانگیخته‌شده به مرزهای نانولوله‌های تک‌دیواره به‌صورت زیر است:
سیستم‌های مولکولی نانولوله‌های تک‌دیواره و پورفیرین پروتونه می‌توانند به‌وسیلة رسوب الکتروفورتیک به‌صورت آرایه‌های سه‌بعدی روی لایه‌های نانوساختاری SnO2 آرایش یابند. لایة کامپوزیتی SWNT-H4P2+ که روی سطح الکترود قرار گرفته، با اعمال پتانسیل 2/0 ولت بر حسب SCE، بازدهی (IPCE) سیزده درصد نشان می‌دهد.
الکترودهای تهیه‌شده از نانولوله‌های تک‌دیواره از طریق تقویت انتقال بار در اثر تعامل با پورفیرین القایی و ایجاد مجرایی برای انتقال الکترون‌های تزریق‌شده به الکترودِ جمع‌آوری، ایفای نقش می‌کنند. با توجه به این مطالب، طراحی دقیق ساختمان نانولوله‌ها و توجه به خواص سطحی آنها در بهبود بازدهی پیل‌های خورشیدی الکتروشیمیایی نقش بسزایی دارد.
نتیجه‌گیری
مثال‌های مورد بحث در این مقاله موارد جالبی را در زمینة خواص فوتوالکتروشیمیایی نانولوله‌های کربنی ارائه می‌دهد. بهبود جداسازی بارها در نانوساختارهای کربنی باعث ایجاد پیشرفت‌های زیادی در طراحی و تولید پیل‌های خورشیدی می‌شود. ایجاد روش‌ها و راهبردهای مناسب برای نشاندن دو یا چند جزء روی سطح الکترود، از عوامل کلیدی در بهبود کارایی پیل‌های خورشیدی به شمار می‌رود که در همین مسیر برای ایجاد و تکمیل سیستم‌های هیبریدی با توانایی و کارایی مضاعف در زمینة طراح‌های تبدیلی انرژی خورشیدی احتیاج به تلاش‌ها و فعالیت‌های زیادی است.
شکل 1. روش‌های استفاده از نانولوله‌های کربنی در پیل‌های خورشیدی فوتوشیمیایی به‌وسیلة: (چپ) برانگیختگی مستقیم نانولوله‌های‌کربنی و (راست) برانگیختگی ساختارهای تجمع نور که نانولوله‌های کربنی روی آنها ثابت شده‌اند. الکترون- حفره‌های ایجادشده به‌وسیلة القاء فوتونی به‌صورت h وe نشان داده شده‌است. یکی از حامل‌های بار روی سطح الکترود جمع می‌شود و دیگری با اکسید شدن (O) یا احیا شدن (R) توسط زوج اکسایش- کاهش موجود در الکترولیت، از سطح الکترود پاک می‌شود
شکل 2. سوسپانسیون نانولوله‌های تک‌دیواره در THF به‌صورت رسوب فیلمی نازک روی الکترود رسانای شیشه‌ای OTE در میدان dc پایین (کمتر از ‍100V/Cm) و یا رسوب نانولوله‌های تک‌دیواره به‌صورت کلاف های خطی بر سطح الکترود در میدان dc بالا قابل رؤیت است.
شکل 3. تصاویر SEM از فیلم رسوب‌داده‌شدة الکتروفورتیک (a): نانولوله‌های تک‌دیواره (b): نانولوله‌های stacked - cup
شکل4. نمایی از چگالی حالت‌ها در یک نانولوله کربنی. حفره‌های ایجادشده به‌وسیله فوتون در سطح الکترود محصور می‌شوند که خود باعث ایجاد جریان در پیل فوتوالکترو شیمیایی می‌شود. C1 و C2 مربوط به لایة هدایت و V1 وV2 مربوط به لایة ظرفیت هستند. h وe نیز حفره و الکترون ایجادشده در اثر تحریک نوری نانولوله‌های تک‌دیواره هستند.
شکل 5. طیف جذب انتقالی زمان ثابت برای سوسپانسیون نانولوله‌های تک‌دیواره در THF با استفاده از پالس لیزری 387 نانومتر با پهنای 150 فمتوثانیه و 0=t∆.
شکل 6. جریان فوتونی (a) و ولتاژ فوتونی (b) سیکل های قطع- وصل برای فیلم برانگیخته‌شدة OTE/SWNT به‌وسیلة نورمرئی (P~100mW/Cm2 و 400nm< ) الکترولیت شامل 5/0 مول LiI و 0.01 مول از I2 در استونیتریل است و الکترود شمارنده (CE) از پلاتین تشکیل شده‌است.
شکل 7. طیف حرکتی جریان فوتون‌ها در الکترود (a) OTE/SWNT و OTE/SnO2/SWNT که نشان‌دهندة میزان بازده IPCE در طول موج‌های القایی متفاوت است. الکترود شمارنده از جنس پلاتین و الکترولیت شامل 5/0 مول LiI و 0.01 مول از I2 در استونیتریل است. در نمودار ضمیمه‌شده طیف جذبی فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره که به‌وسیلة رسوب روی الکترودهای OTE و OTE/SnO2 به وجود آمده‌است نشان داده شده‌است. خط (c) فقط الکترود OTE است. برای تعیین IPCE از فرمول زیر استفاده شده‌است:100 (isc/Iinc / = که Isc جریان فوتونی مدار کوتاه و Iinc شدت نور گسیل‌شده است.
شکل 8. طیف حرکتی جریان فوتونی برای الکترود OTE/SnO2/SCCNT a) تحت پتانسیل بایاس 2/0 ولت بر اساس SCE و b) بدون هیچ پتانسیلی. نمودار ضمیمه‌شده نشان‌دهندة جریان فوتونی مدار کوتاه (ISC) برای الکترودهای: OTE/SnO2/SCCNT تحت پتانسیل با یاس 2/0 ولت بر حسب SCE و OTE/SnO2/SCCNT بدون هیچ پتانسیلی و OTE/TiO2/SCCNT بدون هیچ پتانسیلی. شکل سمت راست نشان‌دهندة جداسازی بارها در فیلم SCCNT و انتقال الکترون به سطح الکترود است. همچنین تصویر SEM از فیلم SCCNT نشان داده شده‌است (توان ورودی معادل78mW/Cm-2 و 400nm< است).
شکل 9. تشریح انتقال تصادفی حامل‌های بار در فیلم‌های نیمه‌هادی مزوپور بر حسب جهت انتقال بار در نانولوله‌ها در ساختارهای هیبریدی تشکیل‌شده
شکل 10. میزان بازده IPCE برای الکترود OTE/SWNT/CdS. نمودار ضمیمه شده نشان‌دهندة تفاوت جذب بین OTE/SWNT/CdS و فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره خالص است.
a) ساختار مولکولی پوفیرین- پروتونه نانولوله‌های تک‌دیواره با برهم‌کنش‌های π -π؛
b) تصاویر TEM ساختارهای میله‌مانند؛
c) طیف حرکتی جریان فوتونی برای الکترود (OTE/SnO2/SWNT- H4P2+)
a) با کاربرد پتانسیل بایاس 1/0 ولت برحسب SCE ؛
b) با کاربرد پتانسیل بایاس 2/0 ولت بر حسب SCE ؛
c) بدون به کارگیری پتانسیل بایاس
الکترولیت هم شامل 5/0 مول Nal و 01/0 مول I2 در استونیتریل است.
الکترود مورد نظر (OTE/SnO2/SWNTS-H4P2+) شامل یک میلی گرم SWNT و 2/0 میلی مول H4P2+ است.
اثر نشر میدانی الکترونی در فیلم نانولوله‌های کربنی
در این گزارش، به‌طور خلاصه ویژگی‌های یک فیلم نانولوله کربنی ناشر الکترون بررسی شده و با توجه به نتایج تئوری در نشرمیدانی فلزات و نتایج تجربی به دست آمده برای نانولوله‌های کربنی در مقالات و گزارش‌های اخیر، عناصر مؤثر در یک فیلم مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در انتها خصوصیات یک فیلم نانولوله‌ای بهینه برای کاربرد در صنعت ارائه می‌شود
ا. تئوری مسئله
اثر نشر میدانی الکترون‌ها از سطح یک ماده چگال که اکثراً شامل فلزات می‌شود، عبارت است از تونل‌زنی الکترون از سطح فرمی فلز به درون ناحیه دیگر که معمولاً خلاء است. این یک پدیده کاملاً کوانتومی است و الکترون‌ها از حالات محدود شده فلزی با غلبه بر یک سد پتانسیلی در فصل مشترک فلز با محیط اطرافش، به یک ذره آزاد تغییرحالت می‌دهند.
این اثر همان‌طور که از اسمش پیداست در اثر بر همکنش میدان الکتریکی با فلز، روی می‌دهد پس در زمره کوانتوم الکترو دینامیک بررسی می‌شود. تقریب‌های نظری در مورد یک جریان نشری الکترونی از یک فلز، به‌طور معمول در یک مدل نیمه کلاسیک صورت می‌پذیرد، که به نظریه فـولر- ناردهیم [Fowler-Nardheim) [1) مشهور است. (شکل 1)
میدان اطراف الکترود فلزی تخت به‌صورت تابعی از فاصله و پتانسیل الکتریکی به‌صورت زیرتعریف می‌شود.
ما همین مطالعات، تک دیواره (SWNTs) بودن یا چند دیواره (MWNTs) بودن آنها را به عنوان عاملی مؤثر مورد بررسی قرار داده‌اند [5].
به‌طور کلی عوامل مؤثر در نشر میدانی نانولوله‌های کربنی به دو دسته تقسیم می‌شود؛ اول، ساختار ذاتی و ویژگی‌های شیمیایی منحصر به فرد نانولوله‌ها که به قطر و رفتار سطحی آنها و نیز باز و بسته بودن انتهای آنها برمی‌گردد. دوم، چگالی و نیز نوع جهت‌گیری آنها بر روی سطح فیلمی که رشد داده شده‌اند. این زیرلایه می‌تواند با توجه به نوع کاربرد، سیلیکون و طلا و. . . باشد. بررسی روی نمونه‌های فراوان نشان می‌دهد که در فیلم‌هایی که چگالی نانولوله‌ها روی آنها متوسط و نرمال است، نشر الکترونی در میدان آستانه کمتری صورت می‌گیرد[6]. شکل (3) به‌خوبی نشان می‌دهد که فیلم با چگالی متوسط، نشر یکنواخت و واضحی را نشان می‌دهد که در آن، خطوط، پل‌ها و نقاط بر روی فیلم ساخته شده قابل تمایز هستند
این نتایج اثبات‌کننده نقش مهم چگالی فیلم و هندسه در ناشران الکترون است. تقویت میدانی یک نشرکننده الکترونی که جریان نشرشده را برای یک میدان الکتریکی تعیین می‌کند، تنها به هندسه نشرکننده یعنی شعاع انحنای نوک و ارتفاع نانولوله‌ها از زیرلایه بستگی دارد. اما وجود یک چگالی بهینه نانولوله‌ای روی فیلم که در چگالی‌های متوسط روی می‌دهد نشان دهنده فاصله‌ای بهینه بین نانولوله‌های ناشر الکترونی است که ما را به الگوی پخش نانولوله‌ها روی زیرلایه‌ها برای کارایی بهتر راهنمایی می‌کند. این فاصله تقریباً یک تا دو برابر ارتفاع نانولوله‌های کاربردی است که امروزه موضوع تحقیقاتی مهمی برای شرکت‌های تولید کننده پانل‌های نمایشی (شکل 5 و6) شده است. در شکل (4) مدل شبیه‌سازی شده این مسئله را می‌توان دید و به مقایسه آنها پرداخت.
اما عاملی که روی کاربرد آنها تأثیر بسزایی دارد، ثابت باقی ماندن این یکنواختی و شدت نشر الکترونی در طول زمان است که روی طول عمر فیلم‌ها- در مقیاس تجاری- مؤثر است. با مقایسه فیلم‌های ساخته شده از نانولوله‌های تک دیواره و چند دیواره و آزمایش در شرایط یکسان، این نتیجه حاصل شده است که افت در نشرالکترونی در فیلم‌های تک دیواره ده برابر سریع‌تر از فیلم چند دیواره رخ می‌دهد. [5] این پدیده را شاید بتوان به حساسیت نانولوله‌های تک دیواره نسبت به بمباران یونی و پرتویی نسبت داد که چند دیواره بودن، این ضعف را با پوشش دیوارهای دیگر حذف می‌کند و نمی‌گذارد که تعادل ساختاری از بین برود. با توجه به توضیحات داده شده بهترین فیلم نانولوله‌ای، فیلمی است با چگالی متوسطی از نانولوله‌های چند دیواره با انتهای بسته که به‌طور یکنواخت روی زیرلایه‌ای توزیع شده‌اند و با حداقل ولتاژ آستانه الکتریکی، نشر یکنواختی را ایجاد کنند که آخری در صرفه‌جویی انرژی مؤثر است.
در شکل (5)، طرح ساده ای از یک نمایشگر نانوتیوپی نشان داده شده است(5) ، نانولوله کربنی که انتهای آن بر روی یک زیرلایه سیلیکونی قرار گرفته است توسط ولتاژ الکتریکی تحریک میشود تا به گسیل الکترونی بپردازد دقیقا همان کاری را که تفنگ الکترونی در نمایشگرهای عادی انجام میدهد. الکترونهای منتشر شده در فاصله بین لایه فسفری و نانولوله شتاب داده می شوند تا در هنگام جذب بتوانند این لایه را برانگیخته کنند تا در انتها با ایجاد نورهای رنگی که ما برروی نمایشگر می بینیم کار به پایان برسد .
3. نتیجه
پارامترهای موثر در ساختمان یک فیلم نانو لوله ای گسیل میدانی غالبا از نوع هندسی هستند و ما با کنترل شرایط فیزیکی محیط در هنگام رشد نانولوله ها برروی زیرلایه
می توانیم کیفیت کاربردی و تجاری آن را بهبود ببخشیم .
منابع :
www. nanoeurope. Org
www. impart-nanotox. Org
www. semi. Org
www. msel. nist. gov/Nanotube2/2nd_Joint_Workshop. Htm
www. compositesworld. com/ct/issues/2005/April/802
www. dke. de/DKE/Aktuelles/Veranstaltungen/ShowEvent.
http://www.mrs.org/publications/bulletin/2004/apr/apr04_intro.pdf
http://nano.ir/
http://www.irche.com
http://www.nanotechnology.com/

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

نانوذرات(تولید و کاربرد ها)

نانوذرات(تولید و کاربرد ها)
با گذر از میکروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می‌شویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به‌تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه‌یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می‌گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزور‌ها و ساختارهایی همچون الکترودها- یا افزایش کارآیی فناوری‌هایی همچون پیل سوختی و باتری‌ها- می‌باشد. مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط‌شده در نانوکامپوزیت‌ها می‌شود و خواص ویژه‌ای همچون افزایش استحکام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب می‌شود.
از مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتومی به صورتی ناگهانی‌تر رخ می‌دهد. به محض آن که ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می‌کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند؛ چون الکترون‌های آزاد آنها مشابه الکترون‌های محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می‌کنند.
علاوه بر این، کوچک‌تربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می‌نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته‌بندی، مواد آرایشی و روکش‌ها مناسب باشند.
برخی از خواص نانوذرات با درک افزایش اثر اتم‌های سطحی یا اثرات کوانتومی به‌راحتی قابل پیش‌بینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است که «نانوکره‌های» به‌خوبی شکل‌یافتة سیلیکون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نه‌تنها سخت‌تر از سیلیکون می‌باشند بلکه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار می‌گیرند.
نانوذرات از زمان‌های بسیار دور مورد استفاده قرار می‌گرفتند. شاید اولین استفاده آنها در لعاب‌های چینی سلسله‌های ابتدایی چین بوده است. در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ‌های متفاوتی از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید. البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است.
کربن بلک مشهورترین مثال از یک ماده نانوذره‌ای است که ده‌ها سال به طور انبوه تولید شده است. حدود 5/1 میلیون تن از این ماده در هر سال تولید می‌شود. البته نانوفناوری راهی برای استفادة آگاهانه و آزادانه از طبیعت نانومقیاس ماده است و کربن بلک‌های مرسوم نمی‌توانند برچسب نانوفناوری را به خود بگیرند. با این حال قابلیت‌های تولید و آنالیز جدید در نانومقیاس و پیشرفت‌های ایجادشده در درک نظری رفتار نانومواد- که قطعاً به معنای نانوفناوری است- می‌تواند به صنعت کربن بلک کمک نماید.
نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می‌شوند؛ معمول‌ترین آنها نانوذرات سرامیکی می‌باشد، که به بخش سرامیک‌های اکسید فلزی- نظیر اکسید‌های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن- نانوذرات سیلیکات که عموماً به شکل ذرات نانومقیاسی خاک رس می‌باشند، تقسیم می‌شوند. طبق تعریف حداقل باید یکی از ابعاد آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سرامیکی فلزی یا اکسید فلزی تمایل به داشتن اندازة یکسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممکن است شما انتظار داشته باشید که چنین ذرات کوچکی در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسیلة نیروهای الکتروستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب می‌کنند).
نانوذرات سیلیکاتی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند ذراتی با ضخامت تقریباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سال‌ها پیش از این تولید می‌شده‌اند، معمول‌ترین نوع خاک رس که مورد استفاده قرار می‌گیرد مونت‌موریلونیت (Montmorillonite)، یا آلومینوسیلیکات لایه‌ای می‌باشد. نانوذرات می‌توانند با پلیمریزاسیون یا به وسیلة آمیزش ذوبی (اختلاط با یک پلاستیک مذاب) با پلیمرها ترکیب شوند. برای پلاستیک‌های ترموست این یک فرآیند یک‌ طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محکم و سفت می‌شوند و نمی‌توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستیک‌ها می‌توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.
نانوذرات فلزی خالص می‌توانند بدون اینکه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پائین‌تر از دمای ذوب ذرات بزرگ‌تر، وادار به آمیخته شدن با یک جامد شوند؛ این کار منجر به سهل‌تر شدن فرآیند تولید روکش‌ها و بهبود کیفیت آنها، خصوصاً در کاربردهای الکترونیکی نظیر خازن‌ها، می‌گردد. نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی نیز می‌توانند در ایجاد لایه‌های نازک- چه بلوری و چه آمورف- مورد استفاده قرار گیرند.
نانوذرات سرامیکی نیز می‌توانند، مانند نانوذرات فلزی، در دماهای کمتر از دمای همتاهای غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده‌ای تبدیل شوند و هزینة ساخت را کاهش دهند. سیم‌های ابررسانا از نانوذرات سرامیکی ساخته می‌شوند؛ چون در حالی که مواد سرامیکی متعارف بسیار شکننده هستند، مواد سرامیکی نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes ای نسبتاً انعطاف‌پذیرند. یک زمینة بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکش‌های نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می گیرد. مثلاً نیروی دریایی آمریکا هم اکنون از سرامیک‌های نانوبلورین استفاده می کند.
اگر چه نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی، فلزی و سیلیکاتی با کاربردهای کنونی و پیش‌بینی شده بخش اعظم نانوذرات را تشکیل می‌دهند، اما نانوذرات بسیار دیگری نیز وجود دارند. ماده‌ای به نام کیتوسان (Chitosan)، که در حالت دهنده‌های مو و کرم‌های پوست مورد استفاده قرار می‌گیرد، از نانوذرات ساخته شده‌ است. این فرآیند در اواخر سال 2001 ثبت شد. این نانوذرات جذب را افزایش می‌دهند.
روش‌های تولید
برای تولید نانوذرات روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد. این روش‌ها اساساً به سه گروه تقسیم می‌شوند: چگالش از یک بخار، سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن. پس از تولید می‌توان ذرات را بسته به نوع کاربردشان مثلاً با مواد آب دوست یا آب گریز پوشاند.
چگالش بخار
از این روش برای ایجاد نانوذرات سرامیکی فلزی و اکسید فلزی استفاده می‌شود. این روش شامل تبخیر یک فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه‌های نانومتری است که به صورت پودر ته‌نشین می‌شوند. از روش‌های مختلفی می‌توان برای تبخیر فلز استفاده نمود و تغییر دستگاهی که امکان تبخیر را به وجود می‌آورد، طبیعت و اندازة ذرات را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در هنگام ایجاد نانوذرات فلزی برای جلوگیری از اکسیداسیون از گازهای بی‌اثر استفاده می‌شود، حال آنکه برای تولید نانوذرات سرامیکی اکسیدفلزی از اکسیژن هوا استفاده می‌شود. مهم‌ترین مزیت این روش میزان کمی آلودگی است. در نهایت اندازة ذره با تغییر پارامترهایی نظیر دما و محیط گاز و سرعت تبخیر کنترل می‌شود.
یک روش که شاید در اصل، چگالش بخار نباشد روش سیم انفجاری است که از آن توسطArgonide استفاده می‌کند. به خاطر اینکه سیم فلزی در اثر انفجار به خوشه‌های فلزی تبدیل ‌شود جریان برقی با ولتاژ بالا به آن اعمال می‌شود (مشابه دمیدن با یک مفتول به درون حباب شیشه‌ای مذاب). این کار در یک گاز بی‌اثر انجام می‌شود که سریعاً ‌ذرات را فرو می‌نشاند.
نوع دیگری از روش چگالش بخار، روش تبخیر در خلأ بر روی مایعات روان (Vaccum Evaporation on Running Liquids) است. در این روش از فیلم نازکی از مواد نسبتاً‌ ویسکوز- یک روغن یا پلیمر- در یک استوانة دوار استفاده می‌شود. در این دستگاه، خلأ ایجاد می‌شود و فلز مورد نظر در خلأ ‌تبخیر یا پراکنده می‌شود؛ ذرات معلقی که در مایع تشکیل می‌شوند، می‌توانند به اشکال مختلفی رشد یابند.
توشیبا با استفاده از رسوبدهی شیمیایی بخار (CVD) که عموماً برای تولید فیلم‌های نازک در صنعت مدارات مجتمع به کار می‌رود، روش جدیدی را برای تولید نانوذرات توسعه داده است. هر دو شکل مایع و گاز در یک رآکتور قرار داده می‌شود. برحسب پارامترهای مختلف (مثل نسبت گاز به مایع، نحوة افزایش گاز و مایع،‌ دما و زمان حرارت‌دهی) اشکال مختلفی از ذرات را می‌توان تولید کرد. همسان‌بودن نانوذرات در برخی از کاربردها از اهمیت زیادی برخوردار است؛ مثلاً جهت استفاده از نانوذرات در دیسک‌های ذخیره داده لازم است همه آنها هم‌اندازه باشند. این شرکت فرآیند خود را با اکسید تیتانیوم آزمایش کرده و نانوکره‌هایی با ابعاد nm100-1 پدید آورده است. همچنین با پوشش‌دادن یکی از آنها با چندین ذره، خوشه‌ای از ذرات را ساخته است.
سنتز شیمیایی
عمدتاً استفاده از روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در یک واسطة مایع، حاوی انواع واکنشگرهاست. روش سل ژل نمونة چنین روشی است. از این روش برای ایجاد نقاط کوانتومی نیز استفاده می‌شود. به طور کلی برای کنترل شکل نهایی ذرات، روش‌های شیمیایی بهتر از روش‌های چگالش بخار هستند. در روش‌های شیمیایی، اندازة نهایی ذره را می‌توان یا با توقف فرآیند در هنگامی که اندازة مطلوب به دست آمد، یا با انتخاب مواد شیمیایی تشکیل‌دهندة ذرات پایدار؛ و یا توقف رشد در یک اندازة ‌خاص، کنترل نمود. این روش‌ها معمولاً‌ کم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از مواد شیمیایی می‌تواند یک مشکل باشد و می‌تواند یکی از استفاده‌های رایج نانوذرات، یعنی پخت آنها برای ایجاد روکش‌های سطحی، را دچار مشکل نماید.
فرآیند‌های حالت جامد
از روش آسیاب یا پودر کردن می‌توان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثیر نوع مادة آسیاب‌کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می‌گیرد. از این روش می‌توان برای تولید نانوذراتی از مواد استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی‌شوند. آلودگی حاصل از مواد آسیاب‌کننده خود می‌تواند یک مسئله باشد.
پیشرفت‌های روش‌های تولید
هر چه بازار نانوذرات در عرصه فناوری‌های پیشرفته- همچون صنعت کامپیوتر و داروسازی- توسعه می‌یابد، تقاضا برای نانوذرات دارای اندازه و یا شکل تعریف‌شده در مقیاس انبوه و قیمت اندک افزایش می‌یابد. این روند موجب اصلاح مداوم فناوری‌های تولیدی موجود و پیشرفت‌ روش‌های تولیدی نوین می‌گردد.
در دو سال گذشته، محققان شروع به استفاده از سیالات فوق بحرانی (SCFها) به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی کرده‌اند. فرآیندهای ته‌نشینی با سیالات فوق بحرانی باعث تولید ذراتی با توزیع اندازه باریک می‌گردد. گازها در بالای فشار بحرانی (Pc) و دمای بحرانی (Tc) به سیالات فوق بحرانی تبدیل می‌شوند. SCFها واجد خواصی مابین گاز و مایع می‌باشند. عموماً به دلیل شرایط نسبتاً ملایم CO2 (C31ْ bar, Tc=73Pc=) از آنها استفاده می‌شود. ضمن آنکه مشکلاتی همچون گرانی، سمیت، خورندگی و قابلیت انفجار و احتراق را ندارند. یک راه اصلاح فناوری سیال فوق بحرانی مخلوط‌نمودن عوامل فعال سطحی با محلول آبی یک نمک فلزی در CO2 فوق بحرانی است. این فرآیند به تولید میکروامولسیون‌ها منجر می‌شود که در زمرة نانورآکتورهای بالقوه برای سنتز نانوذرات بسیار همگن به شمار می‌روند.
Sumitomo Electric اخیراً یک فرآیند رسوبدهی الکتریکی‌ای را توسعه داده است که طی آن یون‌های فلزی در یک حلال آبی حل شده، سپس به صورت نانوذرات فلزی احیا می‌شوند. این شرکت مدعی است فرآیند او در مقایسه با راهکارهای رسوبدهی شیمیایی بخار بسیار اقتصادی و به‌صرفه است.
روش‌های تولید نوین دیگری نیز گزارش شده‌اند، که بر استفاده از امواج مایکرویو، مافوق صوت، و تقلید از طبیعت استوارند.
به دلیل قابلیت سیستم‌های طبیعی در خلق نانوساختارهای دارای دقت اتمی، فرآیندهای زیستی شایسته امعان نظرند. برخی از باکتری‌ها می‌توانند نانوذرات مغناطیسی یا نقره‌ای را بسازند. از پروتئین‌های باکتریایی برای رشد مگنتیت در آزمایشگاه استفاده شده است. سلول‌های مخمر می‌توانند نانوذرات سولفید کادمیوم را ایجاد کنند. به‌تازگی محققان هندی قارچی را یافته‌اند که می‌تواند نانوذرات طلا را خلق کند. عده‌ای در آمریکا از پروتئین‌های ویروسی برای خلق نانوذرات نقرة دارای شکل‌های جذاب استفاده کرده‌اند. پیوستگی بین راهکارهای تقلیدگرایانه از طبیعت و سنتز شیمیایی با حلقة میانی ماکرومولکول‌هایی همچون درخت‌سان‌ها تکمیل می‌شود. از این مواد برای ساخت نانوذرات آمورف کربنات کلسیم- یک ماده کلیدی در سیستم‌های زیستی- استفاده شده است.
روکش دهی و اصلاح شیمیایی
روکش‌دهی یا اصلاح شیمیایی انواع نانوذرات شیوه‌ای رایج و زمینه‌ای است که نوآوری‌های جدید و ارزشمندی را ارائه می‌دهد.
نانوذرات سیلیکات(سیلیکات‌ها یا اکسید‌های سیلیکون نیز سرامیک هستند) برای به دست آوردن خاصیت آب گریزی بیشتر، باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند؛ مثلاً با یون‌های آمونیوم یا مولکول‌های بزرگ‌تر نظیر سیلسزکیوکسان‌های الیگومریک چندوجهی (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes)، که هم برای روکش‌دهی نانوذرات سیلیکات و هم به عنوان پرکنندة روی خودشان مناسب هستند. POSS حاوی یک هستة معدنی (سیلیکون- اکسیژن) و هشت گروه جانبی مختلف آلی است، که این گروه‌ها نوعاً‌ دارای شعاع 5/1 نانومتر هستند و می‌توانند به آسان‌ترشدن پیوند پلیمرها به یکدیگر کمک کنند و برای پیوند پروتئین آغازگر به زیست‌مواد، نویدبخش باشند. گاهی اوقات POSSها جزء نانوذرات طبقه‌بندی می‌شوند.
فروسیالات، که در اوایل دهة 1960 ساخته شدند، از نانوذراتی مغناطیسی به کوچکی 10 نانومتر استفاده می‌کنند که با یک مادة پایدارکننده همانند گرافیت پوشانده می‌شوند و در حاملی نظیر روغن، آب یا نفت سفید معلق می‌شوند. هر ذره، آهن‌ربای کوچکی است که یک میدان مغناطیسی را به ذرات اعمال و رفتاری غیرمعمولی را در سیال ایجاد می‌کند و اجازة کنترل فشار، ویسکوزیته، هدایت الکتریکی، هدایت گرمایی و ضریب انتقال نور را در سیال می‌دهد. جذب انرژی از محیط به صورت حرارت می‌باشد و لذا این سیالات را می‌توان به عنوان سردساز مورد استفاده قرار داد
بررسی روش‌های تولید نانوپودرها با استفاده از سیالات فوق بحرانی
روش‌های متعددی برای تولید نانوپودرها وجود دارد که هر روش می‌تواند منجر به تهیه نانوپودرهایی با خواص متفاوت شود. اخیراً سیالات فوق بحرانی (SCF) یا گازهای فشرده بعنوان یک محیط مناسب برای کریستالیزاسیون و تولید نانوپودرها پیشنهاد شده‌اند. سیالات فوق بحرانی دارای خواص شبه گازی و شبه مایع می‌باشند که علاوه بر ارزان بودن، اثر آلوده‌کنندگی نیز ندراند و موجب کنترل دقیق فرآیند کریستالیزاسیون شده و توانایی تولید ذرات بسیار ریز با مورفولوژی‌ و توزیع اندازة ذرات مناسب را فراهم می‌آورد. در این مقاله به توضیح فرآیندهای مختلف تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی اعم از انبساط سریع محلول فوق بحرانی (RESS)، آنتی‌حلال فوق بحرانی (SAS)، ذرات حاصل از محلول اشباع گازی (PGSS)، کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده (DELOS) و مقایسه این روشها پرداخته شده است. همچنین توضیح مختصری دربارة پارامترهای مهم و مؤثر بر روی محصول نهایی، مزیت‌های خاص هر روش و برخی داده‌های تجربی آورده شده است.
1- مقدمه
نانوپودرها از مهم‌ترین محصولات فناوری‌نانو با کاربردهای گسترده در صنایع مختلف هستند. از جمله این کاربردها می‌توان به تولید مواد منفجره با پتانسیل بالاتر، رنگ‌ها و روکش‌ها، پلیمرها و بیوپلیمرها، واسطه‌های شیمیایی، چسب‌ها، نانوکامپوزیت‌ها، ساینده‌ها، ابرساناها و غیره اشاره کرد. با توجه به اینکه کاربردهای زیادی برای نانوپودرها در زمینه‌های مختلف وجود دارد، لذا توجه فراوانی روی روش‌های تولید نانوپودرها تمرکز یافته است.
روش‌های رایج برای کاهش اندازه ذرات شامل آسیاب‌کاری، خشک کردن پاششی و تبخیر حلال است؛ هرکدام از این روش‌ها دارای معایبی نظیر تغییر کیفیت به علت اثرات حرارتی یا شیمیایی، توزیع گسترده اندازه ذرات، مصرف زیاد حلال، و مشکلات زدودن حلال می‌باشند. برای مثال فرایند خشک کردن پاششی می‌تواند از لحاظ حرارتی موجب تخریب ترکیبات شود، یا در فرایند آسیاب‌کاری، توزیع گسترده ای از اندازه پودرها حاصل شود و در روش‌های تبخیر حلال/ امولسیون، زدودن حلال‌های باقی‌مانده مشکل باشد. بنابراین ترکیبات خاص مثل مواد منفجره، واسطه‌های شیمیایی، پیگمنت‌ها و رنگ‌ها به دلیل حساس بودن نمی‌توانند در چنین فرایندهایی به کار روند.
اخیراً سیال‌های فوق بحرانی (SCF) یا گازهای فشرده به عنوان یک محیط مناسب برای انجام فرایند تبلور و تولید نانوپودرها پیشنهاد شده‌اند. یک سیال فوق بحرانی ترکیبی است که در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی خود قرار دارد. به عنوان مثال سیال فوق بحرانی مورد استفاده می‌تواند کربن دی‌اکسید باشد که علاوه بر ارزان بودن، اثر آلوده‌کنندگی نیز ندارد و پارامترهای بحرانی آن ( PC= 73. 9 bar , TC= 31. 1˚C) در یک دستگاه صنعتی به سادگی قابل حصول است. استفاده از سیال فوق بحرانی، کنترل دقیق فرایند تبلور و توانایی تولید ذرات بسیار‌ ریز و یکسان (از نظر اندازه) با مورفولوژی‌های مناسب را فراهم می‌آورد. همچنین وجود خواصی نظیر نفوذ شبه گازی آن و امکان حذف کامل آن در انتهای فرایند، باعث جلب توجه زیاد به سمت آن شده است. به طورکلی این سیال‌ها در تکنولوژی‌های تولید نانوپودرها، در سه حالت جسم حل‌شونده، و آنتی‌حلال و کمک حلال مصرف می‌شوند. جدول (1) مقایسه بین روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی و سایر روش‌های موجود را برای تولید نانو و میکروذرات، از نظر اندازه نشان می‌دهد.
2- روش‌های تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی
2-1- انبساط سریع سیال فوق بحرانی (RESS)
جدول1. مقایسه اندازه ذرات حاصل از روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی و سایر روش‌های تولید نانو و میکروذرات
تکنیک اندازه ذره (میکرومتر)
500-1000 150- 500 50-150 10-50 < 10 < 1
Cutting mills Yes Yes No No No No
Crusher Yes No No No No No
Universal and pin mills Yes Yes Yes Yes No No
Hammer mill Yes Yes Yes Yes No No
Mechanical mills with internal classifier No Yes Yes Yes No No
High-compression roller mills and table roller mills No No No Yes Yes No
Jet mills No No No Yes Yes No
Dry-media mills No No No Yes Yes No
Wet-media mills No No No No Yes Yes
Recrystallization from solutions Yes Yes Yes Yes Yes Yes
Spray drying -- -- -- -- Yes Yes
Supercritical fluid Yes Yes Yes Yes Yes Yes
انبساط سریع سیالات فوق بحرانی (RESS) یک تکنیک کریستالیزاسیون است که از خواص یک سیال فوق بحرانی مثل CO2 به عنوان یک حلال برای تسهیل تولید نانوپودر استفاده می‌کند.
مطابق شکل (1) ،
فرایند RESS از طریق وارد کردن CO2 مایع با دما و فشار بالا به منظور دستیابی به سیال فوق بحرانی آغاز می‌شود. سیال فوق‌ بحرانی سپس در اتوکلاو با حل ‌شونده مخلوط می‌شود. در این سیستم، سرعت جریان تا زمانی مهم است که تعادل ترمودینامیکی برقرار نباشد. مرحله بعدی مستلزم کاهش فشار مخلوط از فشار بالا به فشار اتمسفری به وسیله نازل است. این کاهش سریع فشار موجب هسته‌زایی (به وسیله کاهش قدرت انحلال حلال) می‌شود. زمانی که CO2 گازی در شرایط محیط قرار می‌گیرد، مواد حل‌شونده رسوب می‌کنند و در یک مخزن جمع می‌شوند. سپسCO2 از طریق یک دریچه به بیرون از محفظه منتقل، و نهایتاً تصفیه و بازیافت می‌شود. مورفولوژی نانوپودرها و کریستال‌ها هر دو به ساختار ماده و پارامترهای حاکم بر فرایندRESS (دما، افت فشار، هندسه نازل و. . ) وابسته است. از جمله مطالعات انجام شده می‌توان به تولید ریز ذرات پلیمری نظیر پلی‌کاپرولاکتون و پلی‌متیل متاکریلات توسط Lele و Shine، تولید نانوذرات CdS (سولفید کادمیم) توسط Sun، تولید نانوپودرهای سرامیکی از جمله آلومینا و سیلیس اشاره نمود.
فرایند RESS دارای مزایای متعددی است. هرچند این فرایند در فشارهای بالا اتفاق می‌افتد اما دمای مورد نیاز نسبتاً پایین است. مزیت دیگر این فرایند نبود خطرات محیطی است. البته بزرگ‌ترین مزیت آن قابلیت ساخت ذرات بسیارکوچک در مقیاس میکرو و نانو با توزیع اندازه ذرات مناسب و عاری از حلال است. از معایب اصلی فرایند می‌توان به نسبت بالای گاز/ماده به واسطه حلالیت پایین ماده، نیاز به فشار بالا و مشکل جدایش ذرات زیرمیکرون از حجم بزرگی از گاز در مقیاس صنعتی اشاره کرد.
2-2-فرایند آنتی‌حلال فوق بحرانی (SAS)
فرایند آنتی‌ حلال فوق بحرانی از سیستم‌های دوتایی حلال/ آنتی‌حلال برای تولید میکروپودرها و نانوپودرها استفاده می‌کند. در این روش، سیال فوق بحرانی (به طور مثال CO2) به عنوان یک آنتی حلال عمل کرده، باعث متبلور شدن جسم حل‌شونده می‌شود. دو تکنیک اساسی برای این فرایند وجود دارد که در ذیل شرح می‌شوند.

2-2-1-عملیات ناپیوسته
در این تکنیک یک سیال فوق بحرانی، به عنوان آنتی حلال سبب ترسیب جامدات می‌شود. جامدات ابتدا در یک مایع حل می‌شوند و یک سیال برای ترسیب ذرات جامد افزوده می‌شود. افزایش سریع سیال، موجب کاهش ناگهانی دانسیته مایع و انبساط حجمی آن شده، باعث می‌شود که مخلوط مایع به حالت فوق اشباع برسد و ماده حل‌شونده به صورت ذرات میکرو یا نانومتری رسوب کند (شکل2) .

مزیت این تکنیک کنترل اندازه ذرات از طریق سرعت تزریق آنتی حلال، غلظت اولیه مواد در محلول، و دما است. در فرایند ناپیوسته، پروفیل انبساط حجمی مایع تابعی از دما، پروفیل فشار، نوع حلال و آنتی حلال، و قدرت همزن است.
2-2-2-عملیات نیمه پیوسته یا پیوسته
به طور کامل در تکنیک‌های آنتی حلال ناپیوسته، به دلیل حذف شدن فاز مایع تکنیک‌ آنتی حلال پیوسته توسعه داده شده است. در تکنیک‌های آنتی‌ حلال پیوسته مثلاً سیستم‌های استخراج حلال آئروسل (ASES) ، فازهای مایع و فوق بحرانی به طور پیوسته به داخل یک محفظه وارد می‌شوند. قطرات مایع خیلی کوچک، در ابعاد زیر میلی‌متر، با یک مقدار مازاد از سیال فوق بحرانی برخورد می‌کنند.
شکل (3) فرایند آنتی‌حلال پیوسته را نشان می‌دهد. برای تولید قطرات مایع کوچک در نازل، محلول مایع در فشار bar 20 بیشتر از فشار کاری محفظه تبلور پمپ می‌شود. محدوده اندازه ذرات تولید شده از 0. 1 تا 250 میکرون قابل تغییر است. در فرایند آنتی‌ حلال پیوسته، اثر متغیرهای دما، فشار، غلظت محلول تزریقی، طبیعت حلال‌های مایع و سیال فوق بحرانی بر خواص فیزیکی محصول، بررسی و بهینه می‌شود.

از فرایند SAS برای تولید ترکیبات منفجره، کاتالیست‌ها، ابررساناها، پلیمرها، نانواسفرها یا میکرواسفرها، میکروفیبرهای با قطرهای 0.01 µm بیشتر و برخی ترکیبات دارویی استفاده می‌شود. در سال 1988 Schmid توانست ذرات تریامسینولون با قطر 5-10 µm را با استفاده از حلال THF تولید کند . در سال 1992، Krukonis و همکارانش توانستند از فرایند SAS برای تبلور و جداسازی دو ماده منفجره RDX و HMX استفاده کنند .
2-3-تولید ذره از طریق فرایند محلول اشباع گازی (PGSS)
در تولید ذره از طریق فرایند محلول اشباع گازی، از یک سیال فوق بحرانی، به عنوان یک جسم حل‌شونده برای ایجاد تبلور در یک محلول استفاده می‌شود. فرایند PGSS برای ساخت نانوذراتِ با توانایی کنترل توزیع اندازه ذرات به کار برده می‌شود. نیروی محرکه فرایند PGSS، افت ناگهانی دمای محلول تا زیر نقطه ذوب حلال است. با این عمل، محلول از فشار کاری به شرایط اتمسفری تغییر وضعیت می‌دهد، که در نتیجه آن می‌توان اثر ژول ـ تامسون را مشاهده کرد. سرمایش سریع محلول موجب تبلور جسم محلول شده، هسته‌زایی هموژن برای تشکیل ذرات به وجود می‌آید. فرایند PGSS یک فرایند دو مرحله‌ای است در این فرایند، محلولی از ذوب کردن محصول مورد نظر، تحت اثر سیال فوق بحرانی ایجاد می‌شود. این شرایط موجب افزایش حلالیت SCF در محلول مایع حاصل می‌شود، به طوری که یک محلول اشباع گازی به دست می‌آید. در این مرحله محلول به تعادل و یکنواختی می‌رسد و سپس تا شرایط اتمسفر منبسط می‌شود. یک فیلتر در محفظه انبساط، پودرهای تولید شده را جمع‌آوری می‌کند. محصول به دلیل عاری بودن از حلال نیاز به شست‌وشو ندارد و می‌توان SCF را در صورت نیاز برگشت داد.
Rodrigues و همکاران اثرات چشمگیر تغییرات فشار بر روی مورفولوژی ذرات را نشان داده‌اند. در فشارهای بالاتر، 16-18 Mpa مورفولوژی ذرات حاصل به صورت کروی خواهد بود. وقتی فشار به 12-14 Mpa افت می‌کند، مورفولوژی به طور چشمگیری تغییر می‌کند. ذرات حاصل پهن‌تر هستند و برجستگی‌های سطح آنها گسترش می‌یابد. این برجستگی‌ها میخی شکل هستند و در نتیجه افت‌ فشار، تمایل به بزرگ‌تر شدن دارند. این پدیده در تصویر میکروسکوپ الکترونی شکل (4) نشان داده شده است.

شکل5. تصاویر میکروسکوپ الکترونی ذرات کامپوزیتی Theophilline/HPO تشکیل شده توسط فرایند PGSS در a: 18 مگاپاسکال و b: 14 مگاپاسکال
شکل (5) همچنین نشان می‌دهد که کاهش فشار باعث افزایش تجمع و انباشتگی ذرات می‌شود. این اختلاف‌ در مورفولوژی‌ها می‌تواند به واسطه تفاوت در شروع هسته‌زایی باشد. در فشارهای پایین‌تر، هسته‌زایی در فرایند انبساط سریع سیالات فوق بحرانی زودتر شروع می‌شود این امر موجب به وجود آمدن ساختارهایی رشته مانند خواهد شد؛ جهت به دست آوردن ذرات کروی، نیاز به فشارهای بالاتر است. بنابراین هسته‌زایی در فرایند انبساط دیرتر شروع می‌شود. اگرچه تغییر فشار تأثیر قابل توجهی در مورفولوژی ذرات دارد، اما هیچ اثری روی اندازه یا توزیع اندازه ذرات ندارد.
مزیت مهم فرایند PGSS، نیاز آن به فشار پایین‌ت‌ر در مقایسه با RESS، مصرف پایین‌تر گاز به دلیل نسبت‌های کمتر گاز در مایع، و توانایی تشکیل نانوپودرها بدون نیاز به حلال‌ است که هزینه‌های عملیاتی را در دو حالت کاهش می‌دهد: اولاً اینکه نیاز به حلال‌های شیمیایی گران، کاهش می‌یابد؛ ثانیاً به دلیل به کار نگرفتن حلال‌ها، محصول از خلوص بالایی برخوردار است و نیازی به حذف باقی‌مانده حلال نیست. از دیگر مزایای فرایند PGSS، توانایی تشکیل نانوکامپوزیت‌ها یا ذرات انکپسوله شده است. یکی از عیوب فرایند PGSS، نیاز به یک SCF است که بایستی در داخل یک حلال حل شود. عیب دیگر فرایند PGSS در مشکلات مربوط به حل کردن یک SCF، داخل چندین حلال با حلالیت‌های متفاوت SCF است. این عیب در هنگام تولید نانوذرات کامپوزیتی یا تولید ذرات انکپسوله شده مهم خواهد بود.
2-4- کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده (DELOS)
برخلاف هر روش دیگر، روش کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده، فرایندی است که برای تشکیل نانوپودرها از یک سیال فوق بحرانی به عنوان کمک حلال استفاده می‌کند. فرایند DELOS برای حل‌شونده‌های آلی در حلال‌های آلی و مخصوصاً برای تولید پلیمرها، رنگ‌ها و ذرات دارویی مفید است. نیروی محرکه این فرایند، افت شدید و سریع دما است. این اتفاق وقتی می‌افتد که محلول فشرده شده از فشار عملیاتی تا فشار اتمسفر منبسط شود. به لیل اینکه سیستم قبل از شروع انبساط برای رسیدن به تعادل تلاش می‌کند، لذا افت فشار و دما در سراسر محلول یکنواخت است. این افت سریع دما به علت کاهش ظرفیت اشباع محلول، باعث تبلور ذرات حل شده می‌شود.

شکل6. شماتیک فرایند DELOS
شکل 6 فرایند سه مرحله‌ای ساده DELOS نشان می‌دهد. مرحله اول عبارت از انحلال ماده حل‌شونده در داخل حلال آلی است. انجام این مرحله در درون یک محفظه مقاوم به فشار صورت می‌گیرد. این محفظه برای به دست آوردن دمای عملیاتی مورد نیاز گرم می‌شود. وقتی مرحله اول کامل شد، سیال فوق بحرانی پیش‌گرم شده داخل حلال حل می‌شود تا فشار عملیاتی مورد نیاز حاصل شود. در این حال زمان کافی برای محلول سه جزئی فراهم می‌شود تا به تعادل و دمای کار برسد. بعد از رسیدن به تعادل، محلول در فشار اتمسفری منبسط می‌شود. نیتروژن خالص در داخل محفظه محلول پمپ می‌شود تا فشار عملیاتی را در مدت انبساط حفظ کند. یک فیلتر در بالای محفظه انبساط قرار می‌گیرد تا پودرهای حل‌شده را جمع ‌کند. پودرهای حاصل می‌توانند با استفاده از سیال فوق بحرانی خالص شست‌وشو شوند و حلال‌های مورد استفاده در این فرایند نیز به آسانی جدا و در صورت نیاز برگشت داده شوند
جدول2. مقایسه انواع فرایندهای تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی
DELOS PGSS SAS RESS
کمک حلال حل شونده آنتی حلال حلال نقش سیال فوق بحرانی
دما دما حلالیت فشار نیروی محرکه
- پایین متوسط بالا فشار گاز مصرفی
بالا پایین- متوسط پایین- متوسط بالا فشار
بلی خیر بلی خیر حلال
آسان آسان آسان مشکل جدایش جامد/گاز
مشکل خیر مشکل خیر جدایش حلال/گاز
3 مرحله 2 مرحله 3 مرحله 2 مرحله مدت فرایند
میکرو و نانو میکرو و نانو میکرو و نانو میکرو و نانو اندازه ذره
بلی بلی بلی بلی انکپسولاسیون
زمانی که فرایند تبلور از طریق DELOS به یک افت دمای بزرگ وابسته است، بازده روش می‌تواند از طریق افزایش مقداری از سیال فوق بحرانی مورد استفاده، زیاد شود. با وجود این، مشکل محدودیت در مقدار مورد استفاده از سیال فوق بحرانی وجود دارد. اگر این محدودیت بروز کند، فرایند DELOS امکان‌ناپذیر خواهد بود و در عوض تبلور از طریق فرایند SAS اتفاق می‌افتد. وقتی غلظت سیال فوق بحرانی به غلظت محدودکننده می‌رسد، اندازه ذرات و توزیع اندازه ذرات به حداقل می‌رسد. بنابراین کنترل اندازه ذرات از طریق کنترل غلظت سیال بحرانی امکان‌پذیر است. از طریق این روش ذراتی در مقیاس نانو، میکرو و ماکرو قابل دست‌یابی خواهند بود.
جدول (2) خلاصه‌ای از انواع فرایندهای تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی و مقایسه آنها را نشان می‌دهد.
3- نتیجه‌گیری
استفاده از روش‌های نوین جهت تولید ذرات ریز در مقیاس نانو یا میکرو، باعث مرتفع ساختن مشکلات روش‌های قدیمی شده، منجر به توزیع اندازه ذرات کنترل شده می‌شود. همچنین با به کارگیری روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی، خلوص بالایی از بلورهای تشکیل شده و شکل هندسی مطلوب بدست می‌آید
پتانسیل کاربرد نانوذرات مغناطیسی در بافت‌های زنده‏
نانوذرات مغناطیسی برای انتقال دارو درکاربردهای عملی بسیار مورد توجه هستند. این نانوذرات زیست‌سازگار که قابلیت حرکت به سمت یک آهن‌ربا را دارند، به عنوان عوامل‌هایی انتقال دهنده دارو مورد مطالعه هستند. ردیابی سلول‌ها به کمک نانوذرات مغناطیسی قابل رؤیت با MRI، راه جدیدی را برای مشاهده تجربی درمان‌های سلولی ارائه می‌دهد. به هر حال نیاز نیست که همه این ذرات با دوز یکسانی پر شوند. در واقع یافتن نانوذرات مناسب برای کاربردهای خاص می‌تواند پتانسیل‌های این نانوحامل‌ها را آشکار کند.
تا امروز اکسید آهن به دلیل پایداری شیمیایی و تطبیق‌پذیری بیولوژیکی و نیز فرایند تولید نسبتاً ساده نانوذرات مگنتیت (Fe3O4) و ماگمیت، (γ-Fe2O3) پزشکی بیشترین توجه را به خود جلب کرده است.
مخلوط‌هایی از این دو نانوذره را می‌توان از طریق رسوب‌دهی آلکالاین‌ها از نمک‌های یون‌های آهن (Fe2+,Fe3+)، طی یک فرایند تک‌مرحله‌ای سنتز کرد. این فرایند عموماً در یک محلول آبی از ماکرومولکول‌های خاص انجام می‌گیرد. ماکرومولکول‌ها؛ فرایند رشد هسته‌های ذرات مغناطیسی را از طریق ایجاد پوششی که قابلیت کنترل پراکندگی و به هم چسبیدن ذرات را دارد، کنترل می‌کنند. تست‌های عملی نشان می‌دهد که بازیابی ترکیبات اکسید آهن از چنین مخلوط‌هایی به طور طبیعی و منظم امکان پذیر است. ترکیبات بدن انسان از قبیل پروتئین‌ها، فریتین‌ها، هموسیدرین‌ها، ترنسفریتین و هموگلوبین حاوی سه تا چهار گرم آهن هستند.
هنگامی که نانوذرات مغناطیسی درون بدن، شروع به تجزیه شدن می‌کنندآهن‌های قابل حل وارد مخازن آهن موجود در بدن شده و در آنجا میزان آهن را تنظیم می‌کنند. دوز‌های پزشکی برای بدن احتمالاً از چند میلی‌گرم کمتر است، این در حالی است که احتمال بالاتر بودن این دوز از این حد تقریبا محال می‌نماید.
ذرات نانومتری Fe3O4 و γ - Fe2O3 ، در دمای اتاق رفتاری اَبَرپارامغناطیسی از خود نشان می‌دهند. به عبارت دیگر، آنها تحت یک میدان مغناطیسی تا حد زیادی مغناطیده می‌شوند که این مغناطش دائمی نیست و با حذف میدان از بین می‌رود. به کمک این رفتار مغناطیسی نانوذرات اکسید آهن از طریق حمل عوامل‌های درمانی و تحت اعمال یک میدان مغناطیسی می‌توانند توانایی دارورسانی را بدون انحراف مسیر در بدن اصلاح کنند. سوئیچ on/off در این سیستم به معنای بعید بودن احتمال چسبیدن ذرات به یکدیگر در حین فرایند ساخت بوده ویا اینکه این ذرات پس از حذف میدان مغناطیسی به راحتی قابل پراکندگی باشند.
استفاده از نانوذرات مغناطیسی که می‌توانند به دارورسانی کمک کنند، هنوز فاصله زیادی تا مراحل عملی دارد. با این وجود استفاده عملی از ترکیبات Fe2O3- γ /Fe3O4 فقط به استفاده از آنها به عنوان عوامل‌های مورد استفاده در تصویربرداری MRI منحصر می‌شود. این عوامل‌ها با تغییر در آهنگ هم‌جهت شدن پروتون‌های آب با میدان مغناطیسی اعمال شده (این میدان از طریق پالس‌هایی با فرکانس رادیوییRF ایجاد می‌گردند به فرایند تصویر برداری کمک می‌کنند. این عوامل‌ها (ذرات اکسید آهن) بر روی زمان تضعیف عرضی (transverse relaxation time) یا همان فرسایشT2 تأثیر می‌گذارند؛ این امر منجر به ایجاد کنتراست منفی یا نقاط تاریک‌ بر روی تصاویر باردار شده T2- در MRI می‌گردد. آنها همچنین بر روی تضعیف طولی یا فرسایش T1 نیز اثر ضعیفی دارند.
این عوامل‌ اگر ذرات مجزای بزرگ‌تر از 50 نانومتر باشند، به صورت اکسید‌های آهن ابر پارامغناطیس (SPIO) رفتار می‌کنند و اگر دارای قطری کوچک‌تر از 50 نانومتر باشند، ذرات اکسید آهن ابرپارامغناطیس فوق ریز هستند (USPIO) . عوامل‌های SPIO بیشتر در تصویربرداری ارگان‌های وابسته به سیستم‌های رتیکولواندوتلیال استفاده می‌شوند؛ در حالی که عوامل‌های کوچک‌تر (USPIO) به خاطر تمایل به جمع شدن در گره‌های لنفاوی، برای تصویربرداری سیستم‌های لنفاتیکی مناسب هستند. با این وجود می‌توان گفت که ذرات اکسید آهن می‌توانند توانایی تصویربرداری بر پایه MR در سیستم‌های سلولی را توسعه دهند. این کاربرد عملی نوظهور، حوزه کاربرد ابزارهای MRI در تصویربرداری‌های پیشرفته از رفتار‌های سلولی را توسعه می‌دهد.
به عنوان مثال محققان دانشکده داروسازی دانشگاه جونز هاپکینز در بالتی مور، در حال بررسی قوانین موجود در تصویربرداری SPIO با استفاده از سلول‌های دندریتی در محیط بافت‌های بدن هستند. سلول‌های دندریتی بالغ در صورت همراه شدن با آنتی‌ژن یک تومور خاص، می‌توانند در گره‌های لنفاوی عکس العمل حفاظتی ایجاد کنند. به این دلیل این امید است بتوان از آنها به عنوان واکسن سرطان استفاده شوند. تا به امروز آزمایش چنین واکسن‌هایی ناامیدکننده بوده است.
محققان دانشگاه Nijmegen هلند در یک کار گروهی نشان داده‌اند که سلول‌ها لزوماً عامل اصلی سرطان نیستند. تصویربرداری MRI در هشت فرد مبتلاً به نوعی سرطان پوستی (melanoma) به کمک سلول‌های دندریتی نشان‌دار شده با SPIO، مشکلاتی در زمینه روش تزریق اولیه تحت هدایت اولترسونیکی را آشکارساخت. گروه دانشگاهی جونز هاپکینز تصمیم دارند این مشاهدات را تکرار کنند. این فرایند از طریق MR هدایت شده انجام گرفته و با تزریق سلول‌های نشان‌دار شده با SPIO نیز آغاز می‌گردد. آنها از SPIO برای نشان‌دار کردن و ردیابی سلول‌های مغز استخوان سگ و تزریق به داخل بافت قلب استفاده نموده‌اند.
جف بالت، استاد رادیولوژی در جان هاپکینز، می‌گوید: "کسب اطمینان از انتقال صحیح سلول‌ها در همه این درمان‌ها ضروری است، این کار از طریق مشاهده همزمان تزریق هدفمند‌شده در MRI قابل انجام است.
بیشینه‌سازی مغناطش
آیا نانوذرات اکسید آهن بهترین مواد برای ردیابی سلول‌ها درMR هدایت‌شده هستند؟ به عقیده Taeghwan Hyeon، مدیر تحقیقات ملی سرطان و مواد نانوبلوری اکسیدی در دانشگاه ملی سئول کره، پاسخ این سوال منفی است؛ زیرا کنتراست منفی نانوذرات اکسیدی گاهی اوقات به پس‌زمینه که تا حد زیادی به خود زمینه نزدیک است گسترش یافته، منجر به ایجاد بی‌نظمی‌هایی در تصویر پس‌زمینه یا آرتیفکت‌های شکوفه‌ای شکل بزرگی می‌شود که ساختمان‌های آناتومیک مجاور را تحت تأثیر قرار می‌دهد و این مسئله می‌تواند مانعی بزرگ در استفاده از ذرات SPIO در ردیابی سلول‌های بدن یا سلول‌های پیوندی باشد، زیرا در این موارد مکان دقیق و گسترش سلول‌ها در بدن از عوامل مهم محسوب می‌شود. به همین دلیل هنوز در مورد مناسب بودن استفاده از Fe3O4و Fe2O3- γ در دارورسانی هدفمند مغناطیسی تردید‌هایی وجود دارد.
رفتارهای نانوذرات اکسیدی در میدان مغناطیسی خارجی می‌تواند به افزایش موارد استفاده از آنها در تصویربرداری‌ کمک کند؛ اما آیا واقعاً می‌توان با استفاده از این ویژگی آنها را به‌وسیله نیرو‌های مغناطیسی در بدن جابه‌جا کرد ؟ به نظر Jian-pingWang، استاد مرکز میکرومغناطیس دانشگاه مینسوتا، پاسخ این سوال احتمالاً منفی است، زیرا اشباع مغناطیسی و در نتیجه گشتاور مغناطیسی در واحد حجم نانوذرات SPIO بسیار پایین است. (میزان جذب میدان مغناطیسی پایین خواهد بود.)
بی‌شک افزایش اندازه ذرات به جذب بیشتر میدان مغناطیسی خارجی کمک می‌کند؛ اما افزایش بیش از اندازه ذرات SPIO می‌تواند باعث افزایش احتمال انسداد عروقی شود و خروج این ذرات از بدن را تسریع می‌بخشد. ولی در مقابل، ذرات کوچک‌تر، سطح ویژه نسبتاً بیشتری برای جذب دارند و همین امر میزان حامل‌های مغناطیسی لازم برای دوز مشخصی از دارو را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، حامل‌های مغناطیسی احتمالاً راندمان بالاتری در جذب سلولی خواهند داشت، لذا این سؤال مطرح است که چه ماده‌ای در این مسیر مناسب‌تر است ؟یک راه استفاده از نانوذرات فلزات واسطه است مثل آهن خالص، کبالت و یا ترکیبات و آلیاژهای آنها مثل FeCo است؛ این دسته از نانوذرات فلزی در مقایسه با اکسید آهن، تمایل بیشتری به حفظ گشتاور مغناطیسی و جذب میدان مغناطیسی دارند، (به عنوان مثال اشباع مغناطیسی FeCo به طور چشمگیری بالاست. استفاده از جرم مشابهی از این حامل‌ها در مقایسه با حامل‌های دیگر می‌تواند نیروی پیشران قوی‌ای را ایجاد کرده، و باعث بالارفتن راندمان فرایند دارورسانی ‌شود. در عین حال برای داشتن اثری یکسان از یک میدان مغناطیسی مشخص می‌توان از غلظت کمتر یا ذرات کوچک‌تر از این حامل‌ها استفاده نمود. وانگ می‌گوید: "این مواد می‌توانند استفاده از نانوذرات فوق ریز (شاید کوچک‌تر از پنج یا ده‌ نانومتر) را برای رساندن مولکو ل‌های بسیار کوچک یا حتی قسمتی از DNA ممکن سازند".
به هر حال این دسته از مواد مشکلات خاص خود را دارند به عنوان مثال، سنتز پایدار و تک‌سایز بودن این دسته از نانوذرات فلزی (فلزات واسطه که برای استفاده در محیط‌های آبی نیز مناسب هستند)، با توجه به فعالیتشان چندان ساده به نظر نمی‌رسد. نانوذرات این فلزات در دمای اتاق فرومغناطیس هستند، به این معنی که این مواد با یک بار مغناطیده شدن به طور دائمی و حتی بدون حضور میدان، حالت مغناطیسی خود را حفظ می‌کنند و همین امر باعث افزایش احتمال جذب آنها به یکدیگر می‌شود، این در حالی است که اکسیدهای آهن در حالت قبلی ابرپارامغناطیس بودند.
برخی از محققان در حال جستجو برای یافتن پوششی مناسب برای جلوگیری از جذب و یکی شدن ذرات و همچنین حفظ پایداری شیمیایی آنها هستند، در این مسیر فلزات بی‌اثر مثل طلا، نقره، سیلیکا و لیگاندهای کلاهکی پپتید بسیار مورد توجه هستند. محققان انستیتو علوم نانو (INA) و انستیتو مهندسی مواد Aragone (ICMA) دانشگاه زاراگوزای اسپانیا، در حال بررسی کربن به عنوان گزینه احتمالی برای پوشش مورد نظر نانوذرات فلزات واسطه و تهیه نانوذرات Fe@C به روش تخلیه قوس الکتریکی هستند؛ این روش مشابه فرایند مورد استفاده در تولید نانولوله‌های کربنی و فولرین‌هاست. تبخیر همزمان آهن و گرافیت در پلاسمای آرگون منجر به تولید ذرات آهن و اکسید آهن پوشیده از مخلوط کربنی با ابعاد متوسط 200 نانومتر می‌شود (شکل 2) .
تست‌های عملی هماتولوژیکی مقدماتی بر روی نمونه‌های خون انسان و خرگوش‌ها نشان داده که ذرات پوشیده شده با کربن که برای انتقال دارو در شیمی‌درمانی به روش‌های مغناطیسی استفاده می‌شوند، سازگاری زیستی مناسبی با محیط دارند. تخلخل و سطح ویژه بالای این دسته از پوشش‌های معدنی، سرعت جذب سطحی عوامل‌های درمانی را افزایش می‌دهد و تا حد زیادی باعث کاهش سرعت تجزیه سطحی مولکول‌های دارویی می‌شود. این در حالی است که سرعت پر شدن حامل‌های انتقال دارو از مواد دارویی بالاست ولی باید از تخلیه سریع آنها در جریان خون اجتناب شود. به لحاظ نظری می‌توان از کربن برای پوشش‌دهی کبالت نیز استفاده کرد؛ اما محققان در مورد آزمایش این عناصر برای کاربرد‌های عملی نگران هستند، زیرا این مواد بر خلاف آهن چندان در بدن وجود ندارند. به گفته Nina Matoussevitch که در حال فعالیت در زمینه تولید نانوذرات زیست‌‌سازگار Co، Fe وFeCo انستیتو شیمی مرکز تحقیقات کارلسروهه در آلمان؛ سمی بودن عناصری مانند کبالت، یکی از مهم‌ترین مشکلات دانشمندان در این زمینه است. در این مورد نظریات مختلفی وجود دارد که تا امروز نظریه قانع‌کننده‌ای ارائه نشده است.
Nguyen T. K. Thanh، از دانشگاه لیورپول انگلستان، نسبت به استفاده پزشکی از نانوذرات فلزات واسطه پوشش داده شده مطمئن‌تر به نظر می‌رسد. او می‌گوید: "مقادیر اندک کبالت برای سلامت انسان مفید است. به عنوان مثال، این ترکیب در تشکیل ویتأمین B12 لازم است و از آن در درمان بیماری آنمی استفاده می‌شود. به طور کلی ترکیبات کبالت در بدن دفع شده و جمع نمی‌شوند. "به گفته او دلیلی برای سمی بودن نانوذرات کبالت وجود ندارد و برای پی بردن به این مطلب تحقیقات بیشتری نیاز است.
Urs Hafeli، استادیار دانشکده علوم درمان دانشگاه بریتیش کلمبیا در کانادا، با توجه به اهمیت میزان دقیق مصرف می‌گوید: "همان طور که Paracelsuse، در قرن 16 می‌گوید مقدار ماده سمی بودن آن را تعیین می‌کند. هر چند ممکن است ده‌ها یا هزاران میلیون‌ ذره مغناطیسی در دارورسانی هدفمند استفاده شود، ولی وزن واقعی آنها بسیار کم خواهد بود (احتمال زیاد در حد چند ده میلی‌گرم).
دارو رسانی مؤثر
علی رغم نقاط ضعف و قوت نانوذرات اکسید آهن در کاربردهای عملی، SPIO و USPIOها تنها نانوذرات مغناطیسی تأییدشده برای کاربرد‌های پزشکی هستند. محققان در حال بررسی برای یافتن راهی مناسب برای توسعه روشی بهتر در درمان هدایت‌شده مغناطیسی هستند؛ اما ممکن است موانع موجود را نتوان کاملاً حل کرد، به عنوان مثال یکی از راه‌های رفع مشکل ضعف پاسخ مغناطیسی نانوذرات، بیشینه کردن میدان مغناطیسی در نقطه هدف است.
Lbarra garsia و همکارانش، از طریق نشاندن آهن‌رباهای دائمی از صفحات طلا درون اندام مورد نظر کار مشابهی را انجام دادند. این فرایند آنها را به استفاده از این حامل‌های مغناطیسی نانومتری در رساندن عوامل‌های شیمی‌درمانی به تومور‌های درون بدن امیدوار ساخته است. مطالعات اساسی در این زمینه به استفاده از ذرات 20 نانومتری Fe@C و یا 80 نانومتری تا دو میکرومتر Fe2O3- γ / Fe3O4 پوشیده شده از سیلیکا به عنوان عوامل‌های شیمی‌درمانی نظر دارد. نتایج اولیه تحقیقات در بافت‌های بدن موجودات زنده با نانوذرات پوشیده شده با کربن بر روی خرگوش‌های نیوزلندی، نویدبخش آینده روشنی در این زمینه است. آنالیزهای هیستو پاتولوژیکی توانایی رسیدن حامل‌های مغناطیسی به غده‌های درونی کلیه چپ حیوانات مختلف را تأیید می‌کند، این کار به کمک نشاندن یک آهن‌ربا در نزدیکی نقطه مورد نظر انجام می‌گیرد. می‌توان دید که این آهن‌ربا‌ها را پس از خارج شدن از بدن ذرات مغناطیسی پوشانده‌اند، نکته مهم در این زمینه این است که در کلیه راست این حیوانات هیچ ذره‌ای دیده نشده است. (شکل 3)
Garcia Ibarra می‌گوید: "همیشه در آزمایش‌ها مشکلاتی مثل وجود تمرکزی از این نانوذرات در سلول‌های زنده کوپفر کبد، طحال و ریه‌ها هست؛ البته باید توجه داشت که بیشترین محل تمرکز این نانوذرات در جگر است و حا این مسئله به یافتن راهی مناسب برای درمان سرطان است".
مورد دیگر، بهینه‌سازی شکل و قدرت آهن‌ربای خارجی مورد استفاده است که در دانشگاه تگزاس و در مرکز سرطان اندرسون هوستون، با همکاری شرکت NanoBioMagnetics، مورد تحقیق قرار گرفته است. آنها در حال بررسی واکنش‌های مغناطیسی نانوذرات مورد استفاده در درمان سرطان پیشرفته تخمدان - مرحله سه یا چهار که سلولهای بدخیم به صفاق راه پیدا کرده‌اند- و کنترل عملکرد عوامل‌های شیمی‌درمانی به کمک نانوذرات مغناطیسی دارای پوشش سیلیکا تحت اعمال مستقیم یک آهن‌ربای خارجی (میدان مغناطیسی)، هستند. از فواید پیش‌بینی شده این کار، کم بودن میزان آسیب‌رسانی این نوع دارو‌رسانی هدفمند نسبت به داروهای آزاد است. آزمایش‌های اولیه انجام شده بر روی موش با استفاده از آهن‌ربا‌های استوانه ایG 56 و 22 نانومتر، رسیدن ذرات به داخل حفره‌های مورد نظر را تأیید می‌کنند. مطالعات بعدی در این زمینه نشان داده‌ است که نانوذرات مغناطیسی می‌توانند به سمت غده‌های مورد نظر در فضای پرتونئال (pertoneal) هدایت شوند و برخی از آنها اطراف دیواره‌های شکمی جمع می‌شوند. این اثر ناخواسته را می‌توان با تغییر شکل آهن‌ربای استوانه‌ای به هرمی با عرض سه میلی‌متر و قرار دادن آن روی محل غده کاهش داد (شکل4) .
Jim Klostergaard، استاد آنکولوژی مولکولی سلولی درMD Anderson وسرپرست این مطالعات، می‌گوید: ظاهراً اهمیت در طراحی و انتخاب وسیله انتقال بیماری است. در مواردی که هر دو عامل فوق موفقیت‌آمیز نبوده‌اند، احتمال پیشرفت از مقیاس آزمایشگاهی به کاربردهای کلینیکی نظریه بسیار ضعیف به نظر می‌رسد".
طبق گفته‌های کریستین پلانک (Christian Plank) از انستیتو آزمایشگاهی آنکولوژی، دانشگاه فنی مونیخ آلمان، بهینه‌سازی طراحی آهن‌ربا، تنها راه حفظ خاصیت آهن‌ربایی نیست. وی در حال بررسی این موضوع است که میکروحباب‌های پرشده از گاز هم می‌توانند به افزایش پاسخ‌دهی مغناطیسی عوامل‌های دارورسانی مبتنی بر SPID کمک کنند. در اینجا نظر باید گفت که ذرات می‌توانند با هم و بدون انبوه‌شدن یا مسدود کردن رگ‌های خونی در یک نقطه خاص متمرکز شوند. عملاً آنها معتقدند که قطر متغیر میکروحباب‌ها (از دو تا پنج میکرون) می‌تواند در استفاده از آنها تأثیر مثبتی داشته باشد. امروه به منظور بهبود تصاویر اولتراسونیک از میکروحباب‌ها در علوم پزشکی استفاده می‌شوند. رزونانس آنها با امواج اولتراسونیکی می‌تواند تصویر محلی که این حباب‌ها در آن قرار دارند را بهبود دهد. در عین حال آزمایش‌های مختلفی برای بررسی قدرت و توانایی میکروحباب‌ها به عنوان عامل دارورسانی در نقاط مختلف بدن مورد ارزیابی قرار گرفته است. به گفته پلانک، بررسی پاسخ‌دهی مغناطیسی میکروحباب‌ها در دارورسانی کاملاً جدید است. دانشمندان و محققان آلمانی در حال استفاده از نانوذرات200 تا صد نانومتری حاوی مقدار زیادی Fe3O4 هستند؛ این ذرات وارد پوسته‌های لیپیدی از حباب‌های پرشده با C3F8 و یک عامل دارویی می‌شوند (شکل 5) .
پلانک می‌گوید: "شما نیاز به نانوذراتی با تولید سفارشی دارید که با دیگر اجزای حباب‌ها سازگار باشند. برخی از نانوذرات مغناطیسی مورد استفاده می‌کنیم با مواد شوینده پوشیده شده، می‌توانند با پوسته‌های لیپیدی حباب‌ها شوند. "
به عقیده او آزمایش‌ها حاکی از آن است که ثبات مغناطیسی حباب‌ها بسیار بیشتر از ثبات مغناطیسی دوز مشابه از نانوذرات مغناطیسی آزاد است.
تست‌های عملی نیز نشان داده‌اند که پالس‌های اولتراسونیکل 1MHz می‌توانند حباب‌ها را ترکانده، باعث آزاد شدن مولکول‌های دارویی یا مواد ژنتیکی درون آنها شود. برای پی‌بردن به این نکته که ساختار عامل درمانی در اثر اعمال اولتراسونیک برای انتقال دارو، ثابت می‌ماند یا خیر، مطالعات بیشتری بر روی حیوانات لازم است.
پلانک می‌گوید: " نگهداری 100 درصد کامل در سایت‌های هدف ممکن نخواهد بود. هدف ما این است که با داشتن یک سیستم حامل بتوانیم عوامل‌های فعال را دقیقاً به فرم ساختاری آنها در نقطه مورد نظر و در جایی که هم میدان مغناطیسی و هم اولتراسونیک اعمال می‌شود، انتقال ‌دهیم. این مورد ممکن است در انتقال اسیدهای نوکلئوئیک امکان‌پذیر باشد. "
محققان دانشگاه شیکاگو و لابراتوار ملی آرگونا (Argona)، ایلینویز نیز به رهاسازی دارو به روش هدف‌یابی مغناطیسی با استفاده از اولتراسونیک علاقه‌مند هستند؛ اما نگرش آنها با آنچه پلانک و همکارانش انجام داده‌اند، متفاوت است؛ آنها برای آب‌گریز کردن نانوذرات مغناطیسی، آن را با اسیداولئیک پوشش می‌دهند، سپس آنها را به همراه یک عامل درمانی در یک ماتریس پلیمری قرار می‌دهند.
اکسل روزنگارت، استاد جراحی اعصاب دانشگاه شیکاگو، می‌گوید: "ما هم اکنون قادر به ترکیب مقدار زیادی مگنتیت با حامل‌هایی هستیم که مقدار مغناطیده شده آنها از تمام حامل‌های گزارش شده بیشتر است؛ به این معنا که حامل راحت‌تر به سمت هدف مورد نظر حتی بر خلاف جریان خون حرکت می‌کند. "
همانند قبل، استفاده از اولتراسونیک با شدت خاصی که دانه‌های پلیمری را تشدید کند، منجربه شکسته شدن آنها و آزادسازی عوامل‌های درمانی می‌گردد. روزنگارت و همکارانش می‌خواهند از دانه‌های مغناطیسی برای رساندن عامل حل‌کننده لخته‌های خونی "clot-busting" rt-PA، به محل سکته یا حمله درد در بیماری‌های قلبی، استفاده کنند. او توضیح می‌دهد: "تخلخل لخته‌های خونی به خصوص در معرض امواج اولترسونیکی افزایش می‌یابد که این خود سرعت بررسی افزایش می‌دهد؛ بنابراین استفاده از دارورسانی اولتراسونیک بدون انحراف، هداف دارورسانی rt-PA را در آینده افزایش دهد.
یک دوره مطالعه شش‌ماهه بر روی نمونه‌های موش صحرایی به‌منظور عملی شدن طرح تشخیص در نظر گرفته شده است. روزنگارت می‌گوید: " ما از سه سال گذشته بر روی ساخت حامل‌های مغناطیسی تمرکز کرده، فکر می‌کنیم در پیشرفت و ساخت یک نمونه که به خوبی در محیط بدن عمل خواهد کرد، موفق شده‌ایم. همچنین تحقیقات برای بهبود پایداری rt-PA که فعالیتش با اثرات گرمایی اولتراسونیک کاهش نمی‌یابد، ادامه خواهد یافت".
آیا این‌ها برای هدف مورد نظر مناسب است؟
اکنون واضح است که نانوذرات مغناطیسی یک‌اندازه و یک ترکیب، برای همه کاربردهای عملی مناسب نیست. به طوری که یک گزینه مناسب برای جلوگیری از گسترش سلول‌های سرطانی متااستاتیک با استفاده از MRI، حتماً یک عامل مناسب برای شیمی درمانی نیست. به گفته Etienne Duguet، استاد انستیتو Bordeux شیمی مواد چگال فرانسه طراحی عوامل‌های مغناطیسی احتیاج به نگرشی مناسب چندبعدی دارد. در این کار سئوالاتی به ذهن می‌رسد؛ اولین سئوال مربوط به ترکیبات هسته است. آیا رفتارهای مغناطیسی آنها مناسب و کافی است ؟ آیا احتمالاً این مواد در دوز تعیین شده سمی هستند؟ یا پوشش وجود دارد؟ برهم‌کنش ذرات پوشش داده شده با سیالات داخل بدن، بیومولکول‌ها و یا سلول‌ها چگونه است؟ آیا مولکول‌های دارویی می‌توانند در جایی که نیاز است بچسبند و رها شوند؟
Urs Hafeli به طراحان پیشنهاد می‌کند که به جای اینکه ابتدا نانوذرات مغناطیسی هوشمند را سنتز کنند و بعد برای آن استفاده‌های عملی را در نظر بگیرند، از کاربرد شروع کرده، مسیر کاری را وارونه طی کنند. هیچ یک از قسمت‌های فرایند دارورسانی نسبت به بخش‌های دیگر آن مهم‌تر نیست. ما نمی‌توانیم همزمان بیشترین خاصیت مغناطیسی ذرات و بهترین ماتریس رهاسازی دارو و ایجاد ذرات کاملاً تک سایز را با هم داشته باشیم. هر دارو و کاربرد‌های مختلف به خاطر نیازمند بودن به هماهنگی با فضای اطراف خود، به خواص شیمی فیزیکی خاصی نیاز دارند؛ ولی باید اشاره کرد که این فضا هنوز کاملاً شناخته شده نیست.

شکل1. محققان دانشگاه مینسوتا در حال تولید نانو ذرات FeCo با ابعاد و شکل‌های مختلف هستند و نیم نگاهی به تنظیم بقیه خواص برای کاربردهای دیگر آن دارند. این ذرات حساسیت بیشتری نسبت به SPIOها دارند

شکل 2. تصاویر میکروسکپی HRTEM و EFTEM از نانوذرات اکسیدآهن وآهن پوشیده شده با کربن.
(کاری از Ricardo lbarra Garcia از مؤسسه علوم نانوی Aragon، دانشگاه زاراگوزا، اسپانیا)

شکل3. (a ) نتایج آنالیزهای هیستوپاتولوژی در کلیه سمت چپ. می‌توان دید که نانوذرات با میدان مغناطیسی آهن ربای کاشته شده همراستا شده‌اند.
(b) در این تصویر می توان دید که در عمل هیچ نانو ذره‌ای در کلیه راست دیده نمی‌شود (در این کلیه آهن ربای دائمی نداریم).
(کاری از Ricardo lbarra Garcia از مؤسسه علوم نانوی Aragon، دانشگاه زاراگوزا،اسپانیا)

شکل(4) : تصویر MRI از موشی که سلولهای غده‌های درونی تخمدان(HEY) انسان به صورت درمانی به آن تزریق شده است .یک تومور در نزدیکی دیواره های شکمی قرار گرفته است. علاوه بر این، نانوذرات پاسخگو به میدان مغناطیسی نیز به بدن این موش‌ها تزریق شده است و یک آهن ربای دائمی نیز در دو ساعت ابتدایی MRI نزدیک محل تومور قرار گرفته است . در تصویر سمت چپ یک آهن ربای دائمی استوانه‌ای با قطر 22 میلیمتر استفاده شده که در آن محور استوانه در راستای مرکز تومور است. اما در تصویر سمت راست، آهن ربای استوانه‌ای با یک آهن ربای هرمی جایگزین شده که قطر نوک آن در حدود 3 میلیمتر است و در مرکز تومور قرار گرفته است. این آهن ربا (هرمی) انتخاب‌پذیری بیشتری را در حرکت نانوذرات در ناحیه توموردر ناحیه دیواره‌های شکمی از خود نشان می‌دهد
(کاری از Jim Klostergaard و Jam Bank در مرکز سرطان MD Anderson وCharles Seeney وWilliam Yuill در NBMI)

شکل 5. میکرو حباب‌هایی با قطر 10 میکرون، که از نانوذراتی با پوشش ترکیبات صابونی و DNA فلورسنت پرشده‌اند. در سمت چپ، تصویر میکروسکوپ نوری (فلورسنت) و در سمت راست، تصویر میدان روشن دیده می‌شود. .رنگ قهوه‌‌ای در این تصویر، بالا بودن بار نانوذرات مغناطیسی را نشان می دهد. حباب‌ها همچنین حاوی مخلوطی از لیپیدها و یک معرف کاتیونی هستند.
پیشرفت‌های سمیت‌زدایی ترکیبات آلی کلرداربا نانوذرات آهن
رشد روزافزون جمعیت کشورها و فعالیت‌های صنعتی و کشاورزی از یک سو و رعایت نکردن الزامات زیست‌محیطی از سوی دیگر، سبب شده‌است تا در چند دهة اخیر، مقادیر زیادی از آلاینده‌ها مانند هیدروکربن‌های آلی کلردار به‌واسطة عواملی نظیر دفع نامناسب پساب‌ها و ضایعات مراکز صنعتی و شهری، استفادة وسیع از آفت‌کش‌ها، علف‌کش‌ها و. . . ، به منابع آب‌های زیرزمینی وارد و موجب کاهش کیفیت آب شوند [1]. حلال‌های آلی کلردار مثل تتراکلرواتن، تری‌کلرواتن، دی‌کلرواتن و وینیل‌کلراید از جمله رایج‌ترین آلاینده‌ها هستند. ترکیبات آلی کلردار، که بسیار سمی و غیرقابل تجزیة زیستی هستند، جزء شایع‌ترین و متداول‌ترین آلاینده‌های آب‌های زیرزمینی به شمار می‌روند [2]. ترکیبات آلی کلردار ضمن ایجاد اثرات سمی بر دستگاه اعصاب، خاصیت سرطان‌زایی نیز دارند [3].
از اواسط سال 1990، پیشرفت‌های مهمی در تبدیل آلاینده‌های آلی کلردار به محصولات بی‌ضرر نظیر متان، اتان، با استفاده از فلزات ظرفیت صفر مثل قلع، روی، پالادیوم و آهن صورت گرفت که آهن رایج‌ترین این فلزات است. در این فناوری ابتدا از براده‌های آهن و سپس از کلوئیدهای آهن در اندازة میکرونی استفاده شد [4].
مطالعات وسیع در 15 سال اخیر ثابت کرده‌است که آلاینده‌های محیط‌زیست می‌توانند از طریق اکسیداسیون آهن ظرفیت صفر احیا شوند. بازده سمیت‌زدایی، قیمت پایین و بی‌خطر بودن آهن، باعث توسعة یک روش نوین در احیای آلایندهای محیط زیست به ویژه در آب‌های زیرزمینی شده‌است [4].
عموماً واکنش بین ترکیبات آلی کلردار (CxHyClz) و آهن در محلول آبی به‌صورت زیر بیان می‌شود.
(1)
که در آن آهن به عنوان عامل کاهنده در حذف کلر رفتار می‌کند. این واکنش مشابه فرایند خوردگی آهن است که در تغییر شکل آلاینده‌های کلردار مفید است [5].

شکل (1) تصویر TEM نانوذرات آهن [9]
فناوری استفاده از نانوذرات آهن در احیای آلاینده‌های کلردار حرکت جدیدی است که نسبت به روش‌های قبلی بسیار اقتصادی‌تر و کارامدتر است. زمانی که اندازة ذرات آهن به مقیاس نانو کاهش می‌یابد تعداد اتم‌هایی که می‌توانند در واکنش درگیر شوند افزایش، و در نتیجه سرعت واکنش‌پذیری بیشتر می‌شود. این امر موجب می‌شود که نانوذرات آهن قدرت انتخاب‌پذیری بیشتری نسبت به براده‌های آهن داشته باشند [6].
اگر چه استفاده از نانوذرات آهن به جای میکرو و یا براده‌های آهن در احیای آلاینده‌ها بسیار مؤثر بود و حتی در این فناوری موفق به احیای پرکلرات‌ها شدند که با روش‌های قبلی امکان‌پذیر نبود، ولی مشاهده شده‌است که در بعضی موارد، محصولات واکنش به مراتب سمی‌تر از ماده اولیه هستند. به عنوان مثال از احیای تری‌کلرواتیلن می‌تواند وینیل‌کلراید تشکیل شود که بسیار سمی است [7 و2].
درمسیر توسعة فناوری‌نانوذرات آهن در اصلاح آب و خاک، گروه ژنگ (zhang) نانوذرات دوفلزی آهن- پالادیوم را در سال 1996 سنتز کردند. پس از آن در روش‌های مشابهی از فلزات کاتالیزوری دیگر مثل پلاتین، نقره، نیکل، کبالت و مس برای تهیه نانوذرات دو فلزی با آهن استفاده شد. بررسی نانوذرات دوفلزی نشان می‌دهد که سرعت و بازده سمیت‌زدایی این ذرات بیشتر از آهن است. حضور یک عامل کاتالیزوری باعث می‌شود که سرعت واکنش هالوژن‌زدایی بیشتر و از تشکیل محصولات جانبی سمی جلوگیری شود [8].
روش آزمایشگاهی
سنتز نانوذرات آهن از ابتکاراتی است که اولین بار در سال 1996 توسط ژنگ انجام شد. در این روش، آهن فریک به‌وسیله بوروهیدراید سدیم طبق واکنش زیر احیا می‌شود [9]:
(2)
برای تهیه نانوذرات دوفلزی آهن- پالادیوم، نانوذرات آهن تازه‌تهیه‌شده به محلولی از اتانول و استات پالادیوم اضافه می‌شوند. این امر طبق واکنش زیر منجر به ته‌نشینی پالادیوم بر سطح آهن می‌شود:
(3)
در این روش از آهن به عنوان فلز پایه و از از پالادیوم به عنوان فلز کاتالیزگر استفاده می‌شود. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری نانوذرات آهنی که به این روش سنتز شدند، نشان می‌دهند که بیشتر از 90 درصد ذرات، قطری در حدود یک تا صد نانومتر دارند [9].
سازوکار نانوذرات آهن
بررسی واکنش‌های احیای نانوذرات آهن در محلول‌های آبی نشان می‌دهد که آهن فلزی، یون فرو و هیدروژن گازی احیاکننده‌های اصلی در محیط هستند. احیای آلاینده‌ها در سطح آهن می‌تواند از طریق انتقال الکترونی و یا تشکیل هیدروژن انجام شود [10].
بررسی سازوکار نانوذرات دوفلزی Ni-Fe نشان می‌دهد که همزمان با قرارگیری ذرات دوفلزی Ni-Fe در یک محلول آبی، یک پیل گالوانی تشکیل می‌شود که Fe به فلز کاتالیزور الکترون می‌دهد و Ni به‌وسیلة آهن، حفاظت کاتدی می‌شود. زمانی که آهن اکسید می‌شود، با آب تشکیل هیدروکسید و یا اکسید آهن می‌دهد و پروتون‌ها روی سطح Ni به اتم‌های هیدروژن و مولکول هیدروژن تبدیل می‌شوند [2]. براساس این سازوکار، واکنش هالوژن‌زدایی از طریق هیدروژن جذب‌شده بر روی کاتالیزور Ni-Fe به‌سرعت انجام می‌شود [8‍].
(4)
(5)

ترکیب هالوژن‌دار روی سطح ذرات Ni-Fe جذب و پیوند C-Cl شکسته می‌شود. سپس، اتم کلر جایگزین هیدروژن می‌گردد (شکل 2) [2].
شکل (2) تصویری از سازوکار واکنش هالوژن زدایی یک ترکیب آلی کلردار با نانوذرات Ni-Fe ] 2[
با توجه به مطالب فوق، سازوکار نانوذرات دوفلزی در واکنش‌های هالوژن‌زدایی موجب تشکیل هیدروژن می‌شود. در حالی‌که ذرات تک‌فلزی و همچنین مخلوط فیزیکی دوفلز عملکرد متفاوتی دارند. این موضوع از طریق اندازه‌گیری میزان هیدروژن تولیدشده در آب به‌وسیلة نانوذرات آهن، نانوذرات نیکل، نانوذرات دوفلزی Ni-Fe و مخلوط فیزیکی نانوذرات آهن و نانوذرات نیکل ثابت شده‌است.
شکل (3) مقایسة مقدار هیدروژن تولیدشده از واکنش نانوذرات دوفلزی، تک‌فلزی و مخلوط آن‌ها با آب. مربع مربوط به نانوذرات آهن، دایره‌ مربوط به نانوذرات نیکل، لوزی‌، مخلوط فیزیکی نانوذرات آهن و نانوذرات نیکل و مثلث مربوط به نانوذرات Ni-Fe است [2].

مطابق شکل (3) میزان هیدروژنی که نانوذرات دوفلزی Ni-Fe تولید می‌کند، بیشتر از بقیة ذرات است و این می‌تواند به‌دلیل تماس الکترونی بین دو فلز آهن و نیکل باشد [2].

شکل (4) میزان گاز هیدروژن (molμ) که به‌وسیلة نانوذرات Ni-Fe در آب و در یک دورة زمانی طولانی تولید شده‌است [2] شکل (4) نشان می‌دهد که سرعت تشکیل هیدروژن در ابتدای واکنش به‌شدت افزایش یافته و با گذشت زمان، سطح آهن غیرفعال و سرعت واکنش کند می‌شود [2].
محصولی که در ابتدا از کلرزدایی تری‌کلرو‌اتیلن به‌وسیلة نانوذرات Ni-Fe به دست می‌آید، شامل اتیلن و بوتن است که با پیشرفت واکنش، آلکان‌های زنجیره‌ای و شاخه‌دار (C1-C8) علاوه بر اولفین‌ها تشکیل می‌شوند. پس از یک دورة زمانی طولانی، آلکن‌ها به طور کامل احیا می‌شوند و آلکان‌هایی با تعداد کربن زوج، مثل بوتان، هگزان و اکتان تولید می‌کنند. محصولات دارای کربن زیادتر به‌علت شکستن پیوند C-C به‌وسیلة کاتالیزور Ni تشکیل می‌شوند [2].
نتیجه‌گیری
مطالعات انجام‌شده بر روی هالوژن‌زدایی ترکیبات آلی کلردار به‌وسیلة آهن، نشان می‌دهد که مرحله تعیین کننده سرعت، مرحلة انتقال الکترون به مولکول جذب سطحی شده‌است. این سازوکار بیان می‌کند که سرعت احیای دی‌کلرو‌اتیلن و وینیل‌کلراید که پذیرنده الکترون ضعیف‌تری نسبت به تری‌کلرو‌اتیلن هستند، کندتر است. در بررسی تأثیر آهن در احیای تری‌کلرو‌اتیلن مشاهده شده‌است که بعضی از محصولات واکنش احیا، مثل وینیل‌کلراید، می‌توانند به مراتب سمی‌تر از ترکیبات اولیه‌شان باشند. همان‌طورکه قبلاً بیان شد، واکنش هالوژن‌زدایی آلاینده‌های آلی کلردار با نانوذرات دوفلزی از طریق احیای هیدروژن صورت می‌گیرد. بنابراین، سرعت واکنش احیا به‌وسیله نانوذرات دوفلزی، به مراتب بیشتر از واکنش احیا از طریق انتقال الکترونی است. افزایش سرعت واکنش آلاینده‌ها، از تشکیل محصولات فرعی سمی جلوگیری می‌کند. همچنین با استفاده از نانوذرات آهن می‌توان برخی از آلاینده‌های بسیار مقاوم مثل پرکلرات را تجزیه کرد.
این روش به‌راحتی در شرایط محیطی قابل استفاده است و نیاز به فراهم نمودن شرایط خاصی مثل دمای بالا وجود ندارد.
نانوساختارهای اکسید روی
اکسید روی عضوی از خانواده ورتزیت و یکی از غنی‌ترین نانوساختارها می‌باشد. اکسیدروی سه مزیت عمده دارد: اول اینکه نمیه‌رسانایی با شکاف باند ev3.37 و انرژی تحریک زیاد (60mev) می‌باشد و همچنین نشر نزدیک به ماوراء بنفش دارد. دوم پیزوالکتریک است که در حسگرها و کاهنده‌ها بسیار کاربرد دارد. و در نهایت اکسید روی زیست‌سازگار و ایمن می‌باشد و می‌تواند در کاربردهای پزشکی به‌راحتی و بدون روکش به کار رود. با این خصوصیات ویژه اکسید روی می‌تواند زمینه‌های تحقیقاتی گوناگونی را در آینده ایجاد کند
ذرات اکسید روی خواصی مانند نیمه رسانایی، پیزوالکتریک و پیروالکتریک از خود نشان می‌دهند. این خواص بی‌نظیر باعث می‌شود که ذرات اکسید روی یکی از غنی‌ترین مواد نانوساختاری باشند. با استفاده از روش تصعید حرارتی فاز جامد- بخار، تحت شرایط ویژه،‌ می‌توان نانوشانه‌ها، نانوحلقه‌ها، نانوفنرها،‌ نانوتسمه‌ها، نانوسیم‌ها و نانوقفسه‌هایی از اکسید روی ایجاد کرد. این نانوساختارها به دلیل داشتن خاصیت زیست سازگاری می‌توانند کاربردهای جدیدی در الکترونیک‌نوری، حسگرها،‌ ترانسفورماتورها و پزشکی داشته باشند.
هنگامی که در سال 2001 نانوتسمه‌های نیمه‌رسانا کشف شدند‌ تحقیقات بر روی نانوساختارهایی که حداقل دارای یک بعد نانومتری می‌باشند به سرعت توسعه پیدا کرد، زیرا این مواد کاربردهای وسیع و جدیدی در اپتیک، الکترونیک نوری،‌ کاتالیزورها و پیزوالکترویک دارند. نانوتسمه‌های اکسیدی نیمه‌رسانا گروه بی‌نظیری از مواد با ترکیب شیمیایی و ساختارهای بلوری جالب می‌باشند.
نانوتسمه‌ها از اکسیدهای نیمه‌رسانای روی، قلع، کادمیم و گالیم و با استفاده از تبخیر پودرهای تجاری اکسید این فلزات در دمای بالا حاصل می‌شوند. این نانوتسمه‌ها خالص، یک شکل و دارای بلورهای منفرد می‌باشند. ساختار هندسی ویژه این شبه‌تسمه‌ها باعث ایجاد بلورهای اکسیدی نیمه‌رسانا با کاتیون‌هایی با ظرفیت متفاوت و خواص جالب درآنها می‌شود.
ترانزیستورهای اثر میدانی، حسگرهای نانومقیاس بسیار حساس گازها و نانوحامل‌های ساخته شده از نانوتسمه‌های منفرد، نمونه‌ای از آنها می‌باشند. انتقال حرارتی نیز در طول نانوتسمه‌ها اندازه‌گیری شده است. به علت خاصیت پیزوالکتریکی نانوحلقه‌ها، نانوتسمه‌ها و نانوفنرهای سنتزی اخیر می‌توان از آنها در کاهنده‌ها، افزاینده‌ها و حسگرهای نانومقیاس استفاده کرد.
در بین اکسیدهای کارکردی (Functional)، پروسکیت، دوتیل، فلوئورید‌کلسیم و ورتزیت، اکسید روی تنها ماده‌ای است که هر دو ویژگی پیزوالکتریکی و نیمه‌رسانایی را از خود نشان می‌دهد. این ماده ساختارهای گوناگونی دارد که بسیار غنی‌تر از انواع نانومواد شناخته شده مانند نانولوله‌های کربنی می‌باشند. با استفاده از روش تصعید حرارتی حالت جامد و با کنترل سرعت رشد، دمای رشد موضعی و ترکیب شیمیایی مواد می‌توان دستة وسیعی از نانوساختارهای اکسیدروی را سنتز کرد.
نانوحلزون‌ها، نانوفنرها و نانوحلقه‌های یکپارچه و بدون درز
‌اکسیدروی، نیترید‌گالیم، نیترید‌آلومینیم، سولفید‌روی و سلنید‌کادمیم، چند عضو مهم از خانواده ورتزیت می‌باشند که در ساخت مواد پیزوالکتریک، الکترونیک نوری و لیزر اهمیت و کاربرد فراوان دارند.
دو ویژگی مهم این خانواده تقارن غیرمرکزی و سطوح قطبی آنها می‌باشد. به عنوان مثال اکسید روی ترکیبی است که به خوبی می‌تواند طرز قرارگرفتن کاتیون‌های Zn2+ را در کنار آنیون‌های O2- در یک ترکیب چهار وجهی نشان دهد. این یون‌ها طوری قرار گرفته‌اند که بار مثبت در سطح Zn-(0001) و بار منفی در سطح O-(000ī) قرار گرفته است. در نتیجه یک دو قطبی در طول محور مرکزی به وجود می‌آید و باعث ایجاد اختلاف سطح انرژی بین سطوح می‌شود.
با کنار هم قراردادن مواد اولیه و با در نظر گرفتن بعضی ناخالصی‌ها مانند ایندیم می‌توان نانوحلقه‌های اکسید روی را سنتز کرد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به طور کاملاً واضح شکل حلقه‌ها را با سطوح یکسان نشان می‌دهد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی‌ تونل‌زنی(TEM) نیز نشان می‌دهد که نانوحلقه‌ها به صورت تک‌بلوری و دایره‌ای هستند. این ساختارهای تک‌بلوری به معنی تشکیل نانوحلقه‌های کامل از روبان تک‌بلوری می‌باشد. نانوحلقه نتیجه حلقه‌ای‌شدن هم‌بافت و هم‌محور نانوتسمه‌ها می‌باشد.
رشد ساختارهای نانوحلقه‌ای را می‌توان با در نظر گرفتن سطوح قطبی نانوتسمه‌های ‌اکسید روی درک کرد. نانوتسمة قطبی که سازندة نانوحلقه‌ها است در طول ‍[1010] و روی سطح ‍[1210]± و در بالا / پایین سطوح ‍[0001]+ رشد می‌کند که پهنای 15 نانومتر و ضخامت 10 نانومتر دارند. نانوتسمه‌ها در بالا و پایین سطوح خود بارهای قطبی دارند. اگر بارهای سطحی در طول رشد خنثی نشوند، نانوتسمه برای کم کردن بار سطحی به درون خودش پیچ می‌خورد. یک روش ممکن، قراردادن سطح Zn-(0001) با بار مثبت برروی سطحO-(000ī) با بار منفی می‌باشد، در نتیجه بارهای قطبی موضعی خنثی و باعث کاهش بارهای سطحی می‌شوند و از روی هم‌قرارگرفتن انتهای این نانوتسمه‌ها یک حلقه تشکیل می‌شود. شعاع حلقه ممکن است در نتیجة بسته شدن اولیه نانوتسمه تعیین شود، اما اندازه حلقه جهت کاهش انرژی تغییر شکل الاستیک نمی‌تواند خیلی کوچک باشد. انرژی نهایی وابسته به عواملی مانند بارهای قطبی، وسعت سطحی و انرژی تغییر شکل الاستیک می‌باشد. طول زیاد بر همکنش الکترواستاتیک، نیروی اولیة پیشران برای بسته شدن نانوتسمه است که در نتیجه اولین دایره تشکیل می‌شود.
نانوتسمه در طول رشد می‌تواند به خاطر برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک به صورت یک نوار برروی یک نانوحلقه کشیده شود، تا بارهای قطبی موضعی را خنثی کرده، ناحیه سطحی را کاهش دهد. در نتیجه ساختارهای نانوحلقه‌ای هم‌محور، چنددایره‌ای و هم‌مرکز تشکیل‌می‌شود. خودآرایی فرآیندی خود به خودی است که یک نوار به دور خود می‌پیچد و یک نانوتسمه رشد می‌کند. کاهش ناحیه سطحی و تشکیل پیوندهای شیمیایی (نیروهای نزدیک) بین دایره‌ها،‌ ساختارهای دوار پایدار را ایجاد می‌کند. پهنای نانوحلقه، با حلقه‌ شدن بیشتر دایره‌ها حول محور نانوحلقه و قرار گرفتن هم جهت آنها در جهت محور نانوحلقه افزایش می‌یابد.

شکل 1- مدل رشد متناسب نانوحلقه
زمانی که رشد در محدودة دمایی ˚C 400-200 انجام شود، با اتصال دایره‌هایی از نانوتسمه به وسیلة پیوندهای شیمیایی به همدیگر ساختارهای نانوحلقه‌ای استوانه‌ای تک‌بلوری تشکیل می‌شود. قرارگرفتن حلقه‌ها کنار همدیگر از نظر انرژی کاملاً مساعد است زیرا بارهای قطبی درون حلقه‌ها کاملاً خنثی می‌شوند. این مدل رشد در شکل (1) نشان داده شده است.
نانوتسمه‌های دارای بار سطحی (شکل 2) می‌توانند به صورت دو صفحة موازی به عنوان خازن به کار روند.

شکل 2- مدل نانوتسمه قطبی
یک نانوتسمة قطبی تمایل دارد جهت کاهش انرژی الکترواستاتیک به صورت رول درآید. شکل حلزونی یا مارپیچ نیز می‌تواند انرژی الکترواستاتیک را کاهش دهد (شکل 3).
اگر بار سطحی در طول رشد خنثی نشود، قطبش خود به خودی، که نتیجه ممان دوقطبی است، انرژی الکترواستاتیک را کاهش می‌دهد، اما تشکیل رول یا حلقة بسته می‌تواند ممان دو قطبی را کاهش دهد یا‌ آن‌را کاملاً خنثی کند، در نتیجه انرژی الکترواستاتیک کاهش می‌یابد.
از طرف دیگر خم‌کردن نانوتسمه انرژی الاستیک ایجاد می‌کند. اگر نانوتسمه‌ها به صورت دایره به دایره رول شوند، نیروی دافعه بین سطوح قطبی در تمام طول نانوفنر ادامه دارد،‌ در حالی‌که نیروی تغییر شکل الاستیک، دایره‌ها را به سمت همدیگر می‌کشد. نانوحلزون‌ها متحدالشکل و با شعاع 500 تا 800 نانومتر هستند و از نانوتسمه تک‌بلوری اکسید روی ساخته شده‌اند
نانوفنرها و نانوحلقه‌های تک‌بلوری ساخته شده از نانوتسمه‌ای ‌اکسیدروی، ساختارهای القایی خود به خودی قطبی دارند، که نتیجة چرخش 90 درجه در قطبیت می‌باشد. این گونه ساختارها ایده‌آل‌ترین حالت برای درک پیزوالکتریکی و پدیدة القای قطبیت در مقیاس نانو می‌باشند. ساختارهای نانوتسمه‌ای پیزوالکترویک می‌توانند در حسگرها، ترانسفورماتورها و تشدیدکننده‌های دارای نانومقیاس به‌کار روند.
نانوملخ‌های مرتب
تغییر ترکیب مواد اولیه به طور مؤثری شکل نانوساختارهای اکسید روی را تغییر می‌دهد. در این جا از مخلوطی از پودرهای ‌اکسیدروی و اکسید‌قلع با نسبت وزنی 1:1 به عنوان مواد اولیه برای رشد نانوساختارهای پیچیده اکسید‌روی استفاده شده است. شکل (4) تصویر مواد سنتز شده را نشان می‌دهد که شامل مجموعه‌ای از نانوسیم‌های هم‌محور می‌باشد که توسط نانوساختارهای با شکل بچه وزغ احاطه شده‌اند. رشته‌ها به شکل(liana) هستند در حالی‌که نانوسیم‌ها به شکل nattan (چوب‌خیزران) می‌باشند

شکل 3- تولید نانومارپیچ از نانوتسمه قطبی
این نانوسیم‌ها پیوندهای عرضی (جانبی) با ابعاد چند ده نانومتر دارند. در نوک شاخه‌های شبه‌وزغ، توپ‌های کروی قرار دارند و شاخه‌ها به شکل یک نوار (روبان) می‌باشند. نوارهای حاصله تقریباً ضخیم و دارای سطح زبر می‌باشند. دومین رشد بر روی سطوح نانو ملخی باعث رشد نانوسیم‌های مرتب می‌شود. اکسید‌قلع در دمای بالا به ‌قلع و اکسیژن تجزیه می‌شود بنابر این نانوسیم‌ها و نانونوارها از فرآیند رشد بخار- مایع- جامد (VLS) حاصل می‌شوند، که ذرات کاتالیزوری‌ قلع به عنوان آغازگر و هدایت‌کنندة رشد نانوسیم‌ها و نانونوارها عمل می‌کنند. رشد ساختارهای جدید می‌تواند طی دو مرحله انجام شود، مرحلة اول شامل رشد محوری نانوسیم‌های اکسید روی حول ‍[0001] می‌باشد. سرعت رشد بسیار بالاست، که افزایش خیلی کمی در اندازة قطرات قلع دارد که تأثیر بسیارکوچکی بر اندازة نانوسیم می‌گذارد

شکل 4- آرایه‌های ملخی از اکسید روی
بنابراین محور نانوسیم تقریباً شکل یکنواخت در جهت محور رشد دارد. مرحله دوم هسته‌زایی و رشد هم‌بافت یک نانوروبان است که نتیجة رسیدن قطرات قلع بر روی سطح نانوسیم اکسید‌روی می‌باشد. این مرحله خیلی کندتر از مرحله اول است، زیرا طول نانوروبان کوتاه‌تر از نانوسیم است.
هنگامی که قلع به حالت مایع و دمای محیط در حد دمای رشد باشد تمایل دارد که ذرات قلع را جذب و ذرات با اندازة بزرگ‌تر تشکیل دهد

شکل 5- رشد آرایه‌های ملخی از اکسید روی
بنابراین پهنای نانوروبان افزایش می‌یابد و اندازة ذرات قلع روی نوک آن بزرگ‌تر می‌شوند، درنتیجه ساختارهای شبه وزغ حاصل در زیر دستگاه TEM مشاهده می‌شوند (شکل 5)
الگوی رشد نانوسیم‌های مرتب
الگوی رشد مرتب نانوساختارهای یک بعدی برای کاربرد در حسگرها، الکترونیک نوری و نشر میدانی دارای اهمیت و کاربرد می‌باشد. رشد مرتب نانومیله‌های ‌اکسید‌روی، روی بستر جامد با فرآیند VLS و با استفاده از قلع و طلا به عنوان آغازگر و هدایت کنندة واکنش با موفقیت انجام شده است. جهت‌گیری هم‌بافت (epitaxial) نانومیله‌ها و بستر باعث رشد هم‌راستا می‌شود. در روش‌های دیگر به جای استفاده از کاتالیزور، از رشد هم‌بافت فاز بخار ترکیبات آلی – فلزی، رشد مبتنی بر قالب و مرتب کردن تحت میدان الکتریکی،‌ برای رشد هم‌راستا عمودی نانومیله‌های ‌اکسید‌روی استفاده می شود.
Huang و همکارانش روشی را شرح داده‌اند که در آن با استفاده از کاتالیزور و نانولوله‌های کربنی نانومیله‌های هم‌راستا تولید می‌شوند. در این روش نانومیله‌های هم‌راستا با استفاده از خودآرایی کره‌های زیرمیکرونی و ماسک حاصل می‌شوند. در روشی دیگر نیز با ادغام روش ماسک مبتنی بر خودآرایی و روش هم‌بافت سطحی آرایه‌های شش وجهی با محدوده بزرگ، نانومیله‌های هم‌راستای ‌اکسید‌روی به دست می‌آید.

شکل 6- تصویر SEM از نانوسیم‌های متخلخل اکسید روی که بر روی سیلیکون با پوشش قلع رشد کرده‌اند
سنتز شامل سه مرحله مهم است: آرایه‌های نانومیله‌ای شش وجهی منتظم ‌اکسید‌‌روی بر روی سابستریت تک‌بلوری اکسید‌آلومینیم که ذرات طلا به عنوان کاتالیزور در آن پخش شده‌اند رشد می‌کنند. ابتدا‌ تک‌لایه‌های خودآرا، مرتب، دوبعدی و با مقیاس بزرگ از کره‌های پلی‌استایرن با اندازة زیرمیکرون حاصل شدند که به بستر اکسید‌آلومینیم تک بلوری متصل شدند. دوم یک لایه نازک از ذرات طلا بر روی تک لایه‌های خودآرا رسوب داده شده‌اند، سپس کره‌ها با روش حکاکی (eatch) کردن از آرایه‌های کاتالیزوری طلا جدا می‌شوند. سرانجام نانوسیم‌ها با استفاده از روش VLC رشد می‌کنند. شکل 5 نحوة توزیع ذرات کاتالیزور، الگوی نانوسیم را مشخص می‌کند. این مرحله می‌تواند با استفاده از فناوری‌های متعدد ماسک جهت تولید ساختارهای پیچیده به کار رود.
نانوسیم‌های تک‌بلوری متخلخل
مواد حفره‌ای به علت دارا بودن نسبت سطح به حجم بسیار زیاد، کاربردهای فراوانی در کاتالیزورها، مهندسی محیط ‌زیست و حسگرها دارند. به طور نرمال، بیشتر این ساختارهای متخلخل از ترکیب مواد آمورف و حفره‌ای به وسیلة واکنش آلی و معدنی مبتنی بر حلال به دست می‌آیند.
در اینجا ساختارهای نانوسیمی اکسیدروی ورتزیت جدیدی گزارش شده‌اند که دارای ساختار تک‌بلوری ولی با دیواره‌ها و حجم‌های متخلخل می‌باشند. سنتز آنها مبتنی بر فرآیند جامد- بخار است. شکل (6) یک تصویر SEM از نانوسیم‌های اکسید‌روی سنتز شده بر روی بستری از سیلیسیم را نشان می‌دهد که با لایه‌ای نازک از کاتالیزور قلع پوشش داده شده است. طول انوسیم‌ها از100 میکرومتر تا 1 میلی‌متر و شعاع آنها 50 تا 500 نانومتر می‌باشد.
درحین واکنش، سولفات‌روی تشکیل شده روی بستر سیلیسیم فقط جزئی از سطح را می‌پوشاند زیرا شبکه آن هماهنگ با اکسید روی نمی‌باشد. در نتیجه رسوب‌دهی فاز بخار اکسید روی ساختارهای متخلخل را تشکیل می‌دهد. تخلخل بالا و تک‌بلوری بودن این ساختارها، پتانسیل بالای آنها را در فیلتراسیون،‌ نگهدارنده‌های کاتالیزورها و حسگرهای گازها نشان می‌دهد.
نانوتسمه‌های بسیار باریک ‌اکسید روی
برای درک پدیده‌ها و اثرات کوانتومی، نانوتسمه‌هایی با اندازة بسیار کوچک مورد نیاز است. اخیراً با استفاده از کاتالیزورهای جدید و با روش VLS نانوتسمه‌های بسیار ریز به دست آمده‌اند. در این روش‌ها برای رشد بلورها به جای استفاده از نانوذرات به عنوان کاتالیزور از لایه نازک (nm 10) و یکنواخت قلع استفاده شده است که این لایه نازک بر روی بستر سیلیسیم پوشش داده شده است.
در این روش نانوتسمه‌هایی نازک، باریک و متحدالشکل از اکسیدروی به دست آمدند که میانگین اندازة نانوتسمه‌ها nm 5.5 می‌باشد و نتایج بسیار خوبی را نشان می‌دهد.
قفسه‌‌های چند وجهی
در این کار نیز قفسه‌‌های اکسید روی با خلوص و بازده بالا سنتز شدند،‌ این قفس‌های کروی،‌ چندوجهی و باساختار متخلخل می‌باشند که از خودآرایی نانوبلورهای اکسیدروی حاصل شده‌اند.
این ساختارها با روش جدید خودآرایی نانوساختارها به دست می‌آیند. این روش شامل انجماد قطرات مایع روی، اکسیداسیون سطحی و تصعید می‌باشد. این قفسه‌‌ها می‌توانند جهت دارورسانی به کار روند.
نتیجه‌گیری
اکسید روی عضوی از خانواده ورتزیت و یکی از غنی‌ترین نانوساختارها می‌باشد. اکسیدروی سه مزیت عمده دارد: اول اینکه نمیه‌رسانایی با شکاف باند ev3.37 و انرژی تحریک زیاد (60mev) می‌باشد و همچنین نشر نزدیک به ماوراء بنفش دارد. دوم پیزوالکتریک است که در حسگرها و کاهنده‌ها بسیار کاربرد دارد. و در نهایت اکسید روی زیست‌سازگار و ایمن می‌باشد و می‌تواند در کاربردهای پزشکی به‌راحتی و بدون روکش به کار رود. با این خصوصیات ویژه اکسید روی می‌تواند زمینه‌های تحقیقاتی گوناگونی را در آینده ایجاد کند
منابع :
http://nano.ir/
http://daneshnameh.roshd.ir/ -
www.sharghian.com /الف

تبدیل اورانیوم به انرژی

تبدیل اورانیوم به انرژی

در تأسیسات تولید سوخت توجه زیادی به شکل و اندازه مخزن های عملیاتی می شود تا از اتفاقات خطرناک جلوگیری شود. (یک زنجیر محدود واکنش پرتو آزاد می کند). با سوخت غنی شده ضعیف امکان اتفاق افتادن این حوادث بعید به نظر می رسد. اما در تأسیسات هسته ای بررسی سوخت های مخصوص برای تحقیقات راکتورها عملی حیاتی است.

تولید نیرو

درون یک راکتور هسته ای اتم های اورانیوم ۲۳۵ (u-۲۳۵) شکافته می شوند و در جریان عملیات پردازش انرژی آزاد می کنند. این انرژی اغلب برای حرارت دادن آب و تبدیل کردن آن به بخار استفاده می شود.
بخار توربینی را که به ژنراتور متصل است به حرکت می اندازد و باعث تولید الکتریسیته می شود. مقداری از اورانیوم ۲۳۸ (u-۲۳۸ به شکل سوخت) در هسته و مرکز راکتور به پلوتونیوم تبدیل می شود و این یک سوم انرژی در یک راکتور هسته ای معمولی را حاصل می کند. شکافتن اورانیوم به عنوان منبع حرارت در راکتورها استفاده می شود. همان گونه که سوزاندن زغال سنگ، گاز و یا نفت به عنوان سوخت فسیلی در تأسیسات نیرو استفاده می شود.

سوخت مصرف شده (خرج شده)

با گذشت زمان، غلظت قطعات و عناصر سنگین شکافته شده مانند پلوتونیوم در مجموعه سوخت افزایش خواهد یافت تا جایی که دیگر هیچ سودی در استفاده دوباره از سوخت نیست. بنابراین پس از گذشت ۱۲ الی ۲۴ ماه سوخت مصرف شده از راکتور خارج می شود. مقدار انرژی که از مجموعه سوختی تولید شده است با نوع راکتور و سیاست و کاردانی گرداننده راکتور تغییر می کند.
معمولا بیش از ۴۵ میلیون کیلو وات ساعت الکتریسیته از یک تن اورانیوم طبیعی تولید می شود. تولید این مقدار انرژی الکتریکی با استفاده از سوخت های فسیلی ملزم به سوزاندن بیش از ۲۰ هزار تن زغال سنگ سیاه و ۳۰ میلیون مترمکعب گاز است.

انبار کردن سوخت مصرف شده

وقتی یک مجموعه سوختی، از راکتور خارج می شود از خود پرتو ساطع می کند که اساساً بیشتر از شکافتن قطعات و حرارت آن است. سوخت مصرف شده فوراً در استخرهای انبار که در اطراف راکتور برای کاهش میزان پرتوزایی آن است تخلیه می شوند. در استخرها، آب جلوی پرتوزایی را می گیرد و همچنین حرارت را به خود جذب می کند.
سوخت مصرف شده در چنین استخرهایی برای ماه ها و یا سال ها نگه داشته می شوند.
وابسته به سیاست کشورهای مختلف در بعضی از آنها مقداری از سوخت مصرف شده به امکانات و تأسیسات انبار مرکزی انتقال می یابند. سرانجام، سوخت مصرف شده یا باید دوباره پردازش شود و یا برای دفع اتمی آماده شود.

پردازش دوباره

سوخت مصرف شده چیزی حدود ۹۵ درصد اورانیوم ۲۳۸ است ولی دارای حدود یک درصد اورانیوم ۲۳۵ که شکافته شده نیز نیست، و در حدود یک درصد پلوتونیوم و سه درصد محصولات شکافته شده که در حد زیادی پرتوزا هستند و دیگر عناصر ترانزورانیک (که عدد اتمی بیشتری نسبت به اورانیوم دارد) که در راکتور شکل گرفته اند در دستگاه های دوباره سازی سوخت مصرف شده به سه جزء تشکیل دهنده خود تفکیک می شوند: اورانیوم، پلوتونیوم و پس مانده که شامل محصولات شکافته شده است. دوباره سازی امکان بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم به سوخت تازه را می دهد و بخش عمده ای از پس مانده کاهیده را تولید می کند. (مقایسه با به حساب آوردن کل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده)

بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم

اورانیوم حاصل از دوباره سازی که معمولا غلظتی کمی بیشتر از اورانیوم ۲۳۵ دارد و در طبیعت رخ می دهد، می تواند اگر نیاز باشد پس از تبدیل کردن و غنی شدن به عنوان سوخت استفاده شود. پلوتونیوم می تواند مستقیماً به MOX (سوخت مخلوط اکسید) تبدیل شود که در آن اورانیوم و پلوتونیوم مخلوط شده اند.
در راکتورهایی که از سوخت MOX استفاده می کنند، پلوتونیوم به جای اورانیوم ۲۳۵ جانشین سوخت اورانیوم اکسید معمولی می شود.

دفع سوخت مصرف شده

در حال حاضر، هیچ گونه امکاناتی برای دفع سوخت مصرف شده (برخلاف امکانات انبارسازی) وجود ندارد که برای دوباره سازی استفاده می شود و پس مانده های به جا مانده از دوباره سازی می توانند در محلی انباشته شوند. هرچند نتایج فنی و تکنیکی مرتبط با دفع سوخت ثابت کرده اند که هیچ احتیاجی به تأسیس چنین امکاناتی در برابر حجم کم پس مانده ها نیست. انبار کردن با توجه به کاهش در حال رشد پرتوزایی برای مدت طولانی آسان تر است. همچنین مقاومت مغناطیسی در سوخت دفع شده وجود دارد، چون منبع قابل توجهی از انرژی در آن است که می تواند دوباره فرآوری شود و امکان بازیافت دوباره را به اورانیوم و پلوتونیوم بدهد.
تعدادی از کشورها در حال انجام مطالعاتی در زمینه تصمیم گیری بهترین راه برای نزدیک شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده های پس از دوباره سازی هستند. روش متداولی که امروزه استفاده می شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهای زیرزمینی است:

پس مانده ها

پس مانده های حاصل از چرخه سوختی هسته ای در رده های: شدید، متوسط و کم دسته بندی می شوند و این تقسیم بندی براساس تشعشعات رادیواکتیوی که از خود ساطع می کنند، است.
این پس مانده ها از منابعی سرچشمه می گیرند که شامل موارد زیر است:
▪ پس مانده های رده پایین (Low-level) که در تمام مراحل چرخه سوختی تولید می شوند.
▪ پس مانده های رده متوسط (Intermediat-level) که در جریان عملکرد راکتور و دوباره سازی تولید می شوند.
▪ پس مانده های رده بالا (High-Level) که شامل محصولات شکافته شده حاصل از دوباره سازی و در بسیاری از کشورها خود سوخت مصرف شده هستند.
فرآیند غنی سازی تولیدات را به سوی تهی کردن اورانیوم هدایت می کند. غلظت اورانیوم ۲۳۵ به طور عمده کمتر از ۷/۰ درصد است که در طبیعت پیدا می شود. تعداد کمی از این مواد که اصولاً اورانیوم ۲۳۸ هستند زمانی استفاده می شوند که چگالی بسیار زیاد نیاز است. مثل استحفاظ پرتوافشانی و گاهی استفاده در تولید سوخت Mox. در حالی که اورانیوم ۲۳۸ قابل شکافتن نیست ماده ای پرتوافشانی کم است و باید درمورد آن احتیاط کرد، از این رو یا آن را انبار و یا دفع می کنند.

میزان مواد موجود در چرخه سوختی هسته ای

موارد زیر فرضیات مختلفی ایجاد می کنند. (پاورقی شماره ۲ را ملاحظه فرمایید) اما مورد ملاحظه عملکرد راکتور انرژی هسته ای NWE ۱۰۰۰ قرار می گیرند.
۱) ۲۰۰۰۰ تن از یک درصد سنگ معدن اورانیوم استخراج
۲) ۲۳۰ تن از اورانیوم اکسید غلیظ شده (همراه ۱۹۵ تن اورانیوم) آسیاب سازی
۳) ۲۸۸ تن UF۶ (همراه ۱۹۵ تن اورانیوم) تبدیل کردن
۴) ۳۵ تن UF۶ (همراه ۲۴ تن اورانیوم غنی شده) غنی سازی
۵) ۲۷ تن UO۲ (همراه ۲۴ تن اورانیوم غنی شده) ساخت و تولید سوخت
۶) ۷۰۰۰ میلیون کیلووات ساعت (kwh) نیروی الکتریسیته عملکرد راکتور
۷) ۲۷ تن شامل ۲۴۰ کیلوگرم پلوتونیوم، ۲۳ تن اورانیوم(u-۲۳۵ ۸/۰ درصد)، ۷۲۰ کیلوگرم محصولات شکافتی، همچنین ترانزورانیک سوخت مصرف شده
منبع: articles.ir

انرژی هسته ای

انرژی هسته ای

مقدمه از مهمترین منابع استفاده صلح آمیز از انرژی اتمی ، ساخت راکتورهای هسته‌ای جهت تولید برق می‌باشد. راکتور هسته‌ای وسیله‌ای است که در آن فرآیند شکافت هسته‌ای بصورت کنترل شده انجام می‌گیرد. در طی این فرآیند انرژی زیاد آزاد می‌گردد به نحوی که مثلا در اثر شکافت نیم کیلوگرم اورانیوم انرژی معادل بیش از 1500 تن زغال سنگ بدست می‌آید. هم اکنون در سراسر جهان ، راکتورهای متعددی در حال کار وجود دارند که بسیاری از آنها برای تولید قدرت و به منظور تبدیل آن به انرژی الکتریکی ، پاره‌ای برای راندن کشتیها و زیردریائیها ، برخی برای تولید رادیو ایزوتوپوپها و تحقیقات علمی و گونه‌هایی نیز برای مقاصد آزمایشی و آموزشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در راکتورهای هسته‌ای که برای نیروگاههای اتمی طراحی شده‌اند (راکتورهای قدرت) ، اتمهای اورانیوم و پلوتونیم توسط نوترونها شکافته می‌شوند و انرژی آزاد شده گرمای لازم را برای تولید بخار ایجاد کرده و بخار حاصله برای چرخاندن توربینهای مولد برق بکار گرفته می‌شوند.
به لحاظ تاریخی اولین راکتور اتمی در آمریکا بوسیله شرکت "وستینگهاوس" و به منظور استفاده در زیر دریائیها ساخته شد. ساخت این راکتور پایه اصلی و استخوان بندی تکنولوژی فعلی نیروگاههای اتمی PWR را تشکیل داد. سپس شرکت جنرال الکتریک موفق به ساخت راکتورهایی از نوع BWR گردید. اما اولین راکتوری که اختصاصا جهت تولید برق طراحی شده ، توسط شوروی و در ژوئن 1954در "آبنینسک" نزدیک مسکو احداث گردید که بیشتر جنبه نمایشی داشت. تولید الکتریسیته از راکتورهای اتمی در مقیاس صنعتی در سال 1956 در انگلستان آغاز گردید.
تا سال 1965 روند ساخت نیروگاههای اتمی از رشد محدودی برخوردار بود، اما طی دو دهه 1966 تا 1985 جهش زیادی در ساخت نیروگاههای اتمی بوجود آمده است. این جهش طی سالهای 1972 تا 1976 که بطور متوسط هر سال 30 نیروگاه شروع به ساخت می‌کردند بسیار زیاد و قابل توجه است. یک دلیل آن شوک نفتی اوایل دهه 1970 می‌باشد که کشورهای مختلف را بر آن داشت تا جهت تأمین انرژی مورد نیاز خود بطور زاید الوصفی به انرژی هسته‌ای روی آورند. پس از دوره جهش فوق یعنی از سال 1986 تا کنون روند ساخت نیروگاهها به شدت کاهش یافته ، بطوریکه بطور متوسط سالیانه 4 راکتور اتمی شروع به ساخت می‌شوند.
انواع راکتور اتمی
راکتورهای اتمی را معمولا برحسب خنک کننده ، کند کننده ، نوع و درجه غنای سوخت در آن طبقه بندی می‌کنند. معروفترین راکتورهای اتمی ، راکتورهایی هستند که از آب سبک به عنوان خنک کننده و کند کننده و اورانیوم غنی شده (2 تا 4 درصد 235U) به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. این راکتورها عموما تحت عنوان راکتورهای آب سبک (LWR) شناخته می‌شوند. راکتورهای PWR ، BWR و WWER از این دسته‌اند. نوع دیگر ، راکتورهایی هستند که از گاز به عنوان خنک کننده ، گرافیت به عنوان کند کننده و اورانیوم طبیعی یا کم غنی شده به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. این راکتورها به گاز - گرافیت معروفند. راکتورهای GCR ، AGR و HTGR از این نوع می‌باشند.
راکتور PHWR راکتوری است که از آب سنگین به عنوان کند کننده و خنک کننده و از اورانیوم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می‌کند. نوع کانادایی این راکتور به CANDU موسوم بوده و از کارایی خوبی برخوردار می‌باشد. مابقی راکتورها مثل FBR (راکتوری که از مخلوط اورانیوم و پلوتونیوم به عنوان سوخت و سدیم مایع به عنوان خنک کننده استفاده کرده و فاقد کند کننده می‌باشد) LWGR (راکتوری که از آب سبک به عنوان خنک کننده و از گرافیت به عنوان کند کننده استفاده می‌کند) از فراوانی کمتری برخوردار می‌باشند. در حال حاضر ، راکتورهای PWR و پس از آن به ترتیب PHWR ، WWER ، BWR فراوانترین راکتورهای قدرت در حال کار جهان می‌باشند.

آیا می‌دانید که
• انرژی گرمایی تولید شده از واکنشهای هسته‌ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟
• منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق می‌تواند تولید کند؟
• کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ای را می‌برند، کدامند؟ و ... .
نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای
می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.
کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای
گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.
سوخت راکتورهای هسته‌ای ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.
میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.
مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها
بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.
سهم برق هسته‌ای در تولید برق کشورها
کشورهای مختلف در تولید برق هسته‌ای روند گوناگونی داشته‌اند. به عنوان مثال کشور انگلستان که تا سال 1965 پیشرو در ساخت نیروگاه اتمی بود، پس از آن تاریخ ، ساخت نیروگاه اتمی در این کشور کاهش یافت، اما برعکس در آمریکا به اوج خود رسید. کشور آمریکا که تا اواخر دهه 1960 تنها 17 نیروگاه اتمی داشت، در طول دهه های 1970و 1980 بیش از 90 نیروگاه اتمی دیگر ساخت. این مسئله نشان دهنده افزایش شدید تقاضای انرژی در آمریکاست. هزینه تولید برق هسته‌ای در مقایسه با تولید برق از منابع دیگر انرژی در آمریکا کاملا قابل رقابت می‌باشد.
هم اکنون فرانسه با داشتن سهم 75 درصدی برق هسته‌ای از کل تولید برق خود در صدر کشورهای جهان قرار دارد. پس از آن به ترتیب لیتوانی (73 درصد) ، بلژیک (57 درصد) ، بلغارستان و اسلواکی (47 درصد) و سوئد (48.6 درصد) می‌باشند. آمریکا نیز حدود 20 درصد از تولید برق خود را به برق هسته‌ای اختصاص داده است. گرچه ساخت نیروگاههای هسته‌ای و تولید برق هسته‌ای در جهان از رشد انفجاری اواخر دهه 1960 تا اواسط 1980 برخوردار نیست، اما کشورهای مختلف همچنان درصدد تأمین انرژی مورد نیاز خود از طریق انرژی هسته‌ای می‌باشند.
طبق پیش بینیهای به عمل آمده روند استفاده از برق هسته‌ای تا دهه‌های آینده همچنان روند صعودی خواهد داشت. در این زمینه ، منطقه آسیا و اروپای شرقی به ترتیب مناطق اصلی جهان در ساخت نیروگاه هسته‌ای خواهند بود. در این راستا ، ژاپن با ساخت نیروگاههای اتمی با ظرفیت بیش از 25000 مگا وات در صدر کشورها قرار دارد. پس از آن چین ، کره جنوبی ، قزاقستان ، رومانی ، هند و روسیه جای دارند. استفاده از انرژی هسته‌ای در کشورهای کاندا ، آرژانتین ، فرانسه ، آلمان ، آفریقای جنوبی ، سوئیس و آمریکا تقریبا روند ثابتی را طی دو دهه آینده طی خواهد کرد.
دیدگاههای اقتصادی و زیست محیطی برق هسته‌ای
جمهوری اسلامی ایران در فرآیند توسعه پایدار خود به تکنولوژی هسته‌ای چه از لحاظ تأمین نیرو و ایجاد جایگزینی مناسب در عرصه انرژی و چه از نظر دیگر بهره برداریهای صلح آمیز آن در زمینه‌های صنعت ، کشاورزی ، پزشکی و خدمات نیاز مبرم دارد که تحقق این رسالت مهم به عهده سازمان انرژی اتمی ایران می‌باشد. بدیهی است در زمینه کاربرد انرژی هسته‌ای به منظور تأمین قسمتی از برق مورد نیاز کشور قیود و فاکتورهای بسیار مهمی از جمله مسایل اقتصادی و زیست محیطی مطرح می‌گردند.
دیدگاه اقتصادی استفاده از برق هسته‌ای

امروزه کشورهای بسیاری بویژه کشورهای اروپایی سهم قابل توجهی از برق مورد نیاز خود را از انرژی هسته‌ای تأمین می‌نمایند. بطوری که آمار نشان می‌دهد از مجموع نیروگاههای هسته‌ای نصب شده جهت تأمین برق در جهان به ترتیب 35 درصد به اروپای غربی ، 33 درصد به آمریکای شمالی ، 16.5 درصد به خاور دور ، 13درصد به اروپای شرقی و نهایتا فقط 0.74 درصد به آسیای میانه اختصاص دارد. بدون شک در توجیه ضرورت ایجاد تنوع در سیستم عرضه انرژی کشورهای مذکور ، انرژی هسته‌ای به عنوان یک گزینه مطمئن اقتصادی مطرح است.
بنابراین ابعاد اقتصادی جایگزینی نیروگاههای هسته‌ای با توجه به تحلیل هزینه تولید (قیمت تمام شده) برق در سیستمهای مختلف نیرو قابل تأمل و بررسی است. از اینرو در اغلب کشورها ، نیروگاههای هسته‌ای با عملکرد مناسب اقتصادی خود از هر لحاظ با نیروگاههای سوخت فسیلی قابل رقابت می‌باشند. بهرحال طی چند دهه گذشته کاهش قیمت سوختهای فسیلی در بازارهای جهانی ، سبب افزایش هزینه‌های ساخت نیروگاههای هسته‌ای به دلیل تشدید مقررات و ضوابط ایمنی ، طولانیتر شدن مدت ساخت و بالاخره باعث ایجاد مشکلات تأمین مالی لازم و بالا رفتن قیمت تمام شده هر واحد الکتریسیته در این نیروگاهها شده است.
از یک طرف مشاهده می‌شود که طی این مدت حدود 40 درصد از هزینه‌های چرخه سوخت هسته‌ای کاهش یافته است و از سویی دیگر با توجه به پیشرفتهای فنی و تکنولوژی حاصل از طرحهای استاندارد و برنامه ریزیهای دقیق به منظور تأمین سرمایه اولیه مورد نیاز مطمئن و به هنگام احداث چند واحد در یک سایت برای صرفه‌ جوییهای ناشی از مقیاس مربوط به تأسیسات و تسهیلات مشترک مورد نیاز در هر نیروگاه ، همچنان مزیت نیروگاههای اتمی از دیدگاه اقتصادی نسبت به نیروگاههای با سوخت فسیلی در اغلب کشورها حفظ شده است.
دیدگاه زیست محیطی استفاده از برق هسته‌ای
افزایش روند روزافزون مصرف سوختهای فسیلی طی دو دهه اخیر و ایجاد انواع آلاینده‌های خطرناک و سمی و انتشار آن در محیط زیست انسان ، نگرانیهای جدی و مهمی برای بشر در حال و آینده به دنبال دارد. بدیهی است که این روند به دلیل اثرات مخرب و مرگبار آن در آینده تداوم چندانی نخواهد داشت. از اینرو به جهت افزایش خطرات و نگرانیها تدریجی در مورد اثرات مخرب انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از کاربرد فرآیند انرژیهای فسیلی ، واضح است که از کاربرد انرژی هسته‌ای بعنوان یکی از رهیافتهای زیست محیطی برای مقابله با افزایش دمای کره زمین و کاهش آلودگی محیط زیست یاد می‌شود. همچنانکه آمار نشان می‌دهد، در حال حاضر نیروگاههای هسته‌ای جهان با ظرفیت نصب شده فعلی توانسته‌اند سالانه از انتشار 8 درصد از گازهای دی اکسید کربن در فضا جلوگیری کنند که در این راستا تقریبا مشابه نقش نیروگاههای آبی عمل کرده‌اند.
چنانچه ظرفیتهای در دست بهره برداری فعلی تولید برق نیروگاههای هسته‌ای ، از طریق نیروگاههای با خوراک ذغال سنگ تأمین می‌شد، سالانه بالغ بر 1800 میلیون تن دی اکسید کربن ، چندین میلیون تن گازهای خطرناک دی اکسید گوگرد و نیتروژن ، حدود 70 میلیون تن خاکستر و معادل 90 هزار تن فلزات سنگین در فضا و محیط زیست انسان منتشر می‌شد که مضرات آن غیرقابل انکار است. لذا در صورت رفع موانع و مسایل سیاسی مربوط به گسترش انرژی هسته‌ای در جهان بویژه در کشورهای در حال توسعه و جهان سوم ، این انرژی در دهه‌های آینده نقش مهمی در کاهش آلودگی و انتشار گازهای گلخانه‌ای ایفا خواهد نمود.
در حالیکه آلودگیهای ناشی از نیروگاههای فسیلی سبب وقوع حوادث و مشکلات بسیار زیاد بر محیط زیست و انسانها می‌شود، سوخت هسته‌ای گازهای سمی و مضر تولید نمی‌کند و مشکل زباله‌های اتمی نیز تا حد قابل قبولی رفع شده است، چرا که در مورد مسایل پسمانداری با توجه به کم بودن حجم زباله‌های هسته‌ای و پیشرفتهای علوم هسته‌ای بدست آمده در این زمینه در دفن نهایی این زباله‌ها در صخره‌های عمیق زیرزمینی با توجه به حفاظت و استتار ایمنی کامل ، مشکلات موجود تا حدود زیادی از نظر فنی حل شده است و طبیعتا در مورد کشور ما نیز تا زمان لازم برای دفع نهایی پسماندهای هسته‌ای ، مسائل اجتماعی باقیمانده از نظر تکنولوژیکی کاملا مرتفع خواهد شد.
از سوی دیگر بنظر می‌رسد که بیشترین اعتراضات و مخالفتها در زمینه استفاده از انرژی اتمی بخاطر وقوع حوادث و انفجارات در برخی از نیروگاههای هسته‌ای نظیر حادثه اخیر در نیروگاه چرنوبیل می‌باشد، این در حالی است که براساس مطالعات بعمل آمده احتمال وقوع حوادثی که منجر به مرگ عده‌ای زیاد بشود نظیر تصادف هوایی ، شکسته شدن سدها ، انفجارات زلزله ، طوفان ، سقوط سنگهای آسمانی و غیره ، بسیار بیشتر از وقایعی است که نیروگاههای اتمی می‌توانند باعث گردند.
به هر حال در مورد مزایای نیروگاههای هسته‌ای در مقایسه با نیروگاههای فسیلی صرفنظر از مسایل اقتصادی علاوه بر اندک بودن زباله‌های آن می‌توان به تمیزتر بودن نیروگاههای هسته‌ای و عدم آلایندگی محیط زیست به آلاینده‌های خطرناکی نظیر SO2 ، NO2 ، CO ، CO2 پیشرفت تکنولوژی و استفاده هرچه بیشتر از این علم جدید ، افزایش کارایی و کاربرد تکنولوژی هسته‌ای در سایر زمینه‌های صلح آمیز در کنار نیروگاههای هسته‌ای اشاره نمود.
مقایسه هزینه‌های اجتماعی تولید برق در نیروگاههای فسیلی و اتمی
در مجموع ارزیابیهای اقتصادی و مطالعات بعمل آمده در مورد مقایسه هزینه تولید (قیمت تمام شده) برق در نیروگاههای رایج فسیلی کشور و نیروگاه اتمی نشان می‌دهد که قیمت این دو نوع منبع انرژی صرفنظر از هزینه‌های اجتماعی ، تقریبا نزدیک به هم و قابل رقابت با یکدیگر هستند. چنانچه قیمت مصرف انرژیهای فسیلی برای نیروگاههای کشور برمبنای قیمتهای متعارف بین المللی منظور شوند و همچنین در شرایطی که نرخ تسعیر هر دلار در کشور 8000 ریال تعیین گردد، هزینه تولید (قیمت تمام شده) هر کیلووات ساعت برق در نیروگاههای فسیلی و اتمی بشرح زیر می باشد.
در تازه‌ترین مطالعه‌ای که برای تعیین هزینه‌های اجتماعی نیروگاههای هسته‌ای در 5 کشور اروپایی بلژیک ، آلمان ، فرانسه ، هلند و انگلستان صورت گرفته است، میزان هزینه‌های اجتماعی ناشی از نیروگاههای هسته‌ای در مقایسه با نیروگاههای فسیلی بسیار پائین است. در این مطالعه هزینه‌های خارجی هر کیلووات ساعت برق تولیدی در نیروگاههای هسته‌ای در حدود 0.39 سنت( معادل 31.2 ریال) برآورده شده است. بنابراین در صورتیکه هزینه‌های اجتماعی تولید برق را در ارزیابیهای اقتصادی نیروگاههای فسیلی و هسته‌ای منظور نمائیم قطعا قیمت تمام شده هر کیلووات ساعت برق در نیروگاه هسته‌ای نسبت به فسیلی بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت.
به هر حال نیروگاههای فسیلی و هسته‌ای هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود می‌باشند و ایجاد هر یک متناسب با مقتضیات زمانی و مکانی هر کشور خواهد بود و انتخاب نهایی و تصمیم گیری در این زمینه می‌بایست با توجه به فاکتورهایی از قبیل عوامل تکنولوژیکی ، ارزشی ، سیاسی ، اقتصادی و زیست محیطی توأما اتخاذ گردد. قدر مسلم ایجاد تنوع در سیستم عرضه و تأمین انرژی از استراتژیهای بسیار مهم در زمینه توسعه سیستم پایدار انرژی در هر کشور محسوب می شود. در این راستا با توجه به بررسیهای صورت گرفته ، شورای انرژی اتمی کشور مصمم به ایجاد نیروگاههای اتمی به ظرفیت کل 6000 مگاوات در سیستم عرضه انرژی کشور تا سال 1400 هجری شمسی می‌باشد.
چشم انداز سایر دیدگاههای اقتصادی در مورد آینده انرژی هسته‌ای حاکی از آن است که براساس تحلیل سطح تقاضا و منابع عرضه انرژی در جهان ، توجه به توسعه تکنولوژیهای موجود و حقایقی نظیر روند تهی شدن منابع فسیلی در دهه های آینده، مزیتهای زیست محیطی انرژی اتمی و همچنین استناد به آمار و عملکرد اقتصادی و ضریب بالای ایمنی نیروگاههای هسته ای، مضرات کمتر چرخه سوخت هسته ای نسبت به سایر گزینه های سوخت و پیشرفتهای حاصله در زمینه نیروگاههای زاینده و مهار انرژی گداخت هسته ای در طول نیم قرن آینده، بدون تردید انرژی هسته ای یکی از حاملهای قابل دسترس و مطمئن انرژی جهان در هزاره سوم میلادی به شمار می‌رود.
در این راستا شورای جهانی انرژی تا سال 2020 میلادی میزان افزایش عرضه انرژی هسته‌ای را نسبت به سطح فعلی حدود 2 برابر پیش بینی می‌نماید. با توجه به شرایط موجود چنانچه از لحاظ اقتصادی هزینه‌های فرصتی فروش نفت و گاز را با قیمتهای متعارف بین المللی در محاسبات هزینه تولید (قیمت تمام شده) برای هر کیلووات برق تولیدی منظور نمائیم و همچنین تورم و افزایش احتمالی قیمتهای این حاملها (بویژه طی مدت اخیر) را براساس روند تدریجی به اتمام رسیدن منابع ذخایر نفت و گاز جهانی مد نظر قرار دهیم، یقینا در بین گزینه‌های انرژی موجود در جمهوری اسلامی ایران ، استفاده از حامل انرژی هسته‌ای نزدیکترین فاصله ممکن را با قیمت تمام شده برق در نیروگاههای فسیلی خواهد داشت.
دانستنیهای بمب اتم

بمب اتمی سلاحی است که نیروی آن از انرژی اتمی و بر اثر شکاف هسته (فیسیون ) اتمهای پلوتونیوم یا اورانیوم ایجاد می شود .در فرآیند شکافت هسته ای ، اتمهای ناپایدار شکافته و به اتمهای سبکتر تبدیل می شوند .
نخستین بمب از این نوع ، در سال 1945 م در ایالات نیو مکزیکو در ایالات متحده آمریکا آزمایش شد . این بمب ، انفجاری با قدرت 19 کیلو تن ایجاد کرد ( یک کیلو تن برابر است با
انرژی اتمی آزاد شده 190 تن ماده منفجره تی . ان . تی ) انفجار بمب اتمی موج بسیار نیرومند پرتوهای شدید نورانی ، تشعشعات نفوذ کننده اشعه گاما و نوترونها و پخش شدن مواد رادیو اکتیو را همراه دارد . انفجار بمب اتمی چندین هزار میلیارد کالری حرارت را در چند میلیونیوم ثانیه ایجاد می کند .
این دمای چند میلیون درجه ای با فشار بسیار زیاد تا فاصله 1200 متری از مرکز انفجار به افراد بدون پوشش حفاظتی صدمه می زند و سبب مرگ و بیماری انسان و جانوران می شود . همچنین زمین ، هوا آب و همه چیز را به مواد رادیو اکتیو آلوده می کند .
بمب های اتمی شامل نیروهای قوی و ضعیفی اند که این نیروها هسته یک اتم را به ویژه اتم هایی که هسته های ناپایداری دارند، در جای خود نگه می دارند. اساسا دو شیوه بنیادی برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد: 1- شکافت هسته ای: می توان هسته یک اتم را با یک نوترون به دو جزء کوچک تر تقسیم کرد. این همان شیوه ای است که در مورد ایزوتوپ های اورانیوم (یعنی اورانیوم 235 و اورانیوم 233) به کار می رود.
برای تولید یک بمب اتمی موارد زیر نیاز است:
یک منبع سوخت که قابلیت شکافت یا همجوشی را داشته باشد.
دستگاهی که همچون ماشه آغازگر حوادث باشد.
راهی که به کمک آن بتوان بیشتر سوخت را پیش از آنکه انفجار رخ دهد دچار شکافت یا همجوشی کرد.
در اولین بمب های اتمی از روش شکافت استفاده می شد. اما امروزه بمب های همجوشی از فرآیند همجوشی به عنوان ماشه آغازگر استفاده می کنند.بمب های شکافتی (فیزیونی): یک بمب شکافتی از ماده ای مانند اورانیوم 235 برای خلق یک انفجار هسته ای استفاده می کند. اورانیوم 235 ویژگی منحصر به فردی دارد که آن را برای تولید هم انرژی هسته ای و هم بمب هسته ای مناسب می کند. اورانیوم 235 یکی از نادر موادی است که می تواند زیر شکافت القایی قرار بگیرد.اگر یک نوترون آزاد به هسته اورانیوم 235 برود،هسته بی درنگ نوترون را جذب کرده و بی ثبات شده در یک چشم به هم زدن شکسته می شود. این باعث پدید آمدن دو اتم سبک تر و آزادسازی دو یا سه عدد نوترون می شود که تعداد این نوترون ها بستگی به چگونگی شکسته شدن هسته اتم اولیه اورانیوم 235 دارد. دو اتم جدید به محض اینکه در وضعیت جدید تثبیت شدند از خود پرتو گاما ساطع می کنند. درباره این نحوه شکافت القایی سه نکته وجود دارد که موضوع را جالب می کند.
1 - احتمال اینکه اتم اورانیوم 235 نوترونی را که به سمتش است، جذب کند، بسیار بالا است. در بمبی که به خوبی کار می کند، بیش از یک نوترون از هر فرآیند فیزیون به دست می آید که خود این نوترون ها سبب وقوع فرآیندهای شکافت بعدی اند. این وضعیت اصطلاحا «ورای آستانه بحران» نامیده می شود.
2 - فرآیند جذب نوترون و شکسته شدن متعاقب آن بسیار سریع و در حد پیکو ثانیه (12-10 ثانیه) رخ می دهد.
3 - حجم عظیم و خارق العاده ای از انرژی به صورت گرما و پرتو گاما به هنگام شکسته شدن هسته آزاد می شود. انرژی آزاد شده از یک فرآیند شکافت به این علت است که محصولات شکافت و نوترون ها وزن کمتری از اتم اورانیوم 235 دارند. این تفاوت وزن نمایان گر تبدیل ماده به انرژی است که به واسطه فرمول معروف mc2= E محاسبه می شود. حدود نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده به کار رفته در یک بمب هسته ای برابر با چندین میلیون گالن بنزین است. نیم کیلوگرم اورانیوم غنی شده انداز ه ای معادل یک توپ تنیس دارد. در حالی که یک میلیون گالن بنزین در مکعبی که هر ضلع آن 17 متر (ارتفاع یک ساختمان 5 طبقه) است، جا می گیرد. حالا بهتر می توان انرژی آزاد شده از مقدار کمی اورانیوم 235 را متصور شد.برای اینکه این ویژگی های اروانیوم 235 به کار آید باید اورانیوم را غنی کرد. اورانیوم به کار رفته در سلاح های هسته ای حداقل باید شامل نود درصد اورانیوم 235 باشد.در یک بمب شکافتی، سوخت به کار رفته را باید در توده هایی که وضعیت «زیر آستانه بحران» دارند، نگه داشت. این کار برای جلوگیری از انفجار نارس و زودهنگام ضروری است. تعریف توده ای که در وضعیت «آستانه بحران» قرار داد چنین است: حداقل توده از یک ماده با قابلیت شکافت که برای رسیدن به واکنش شکافت هسته ای لازم است. این جداسازی مشکلات زیادی را برای طراحی یک بمب شکافتی با خود به همراه می آورد که باید حل شود.
1 - دو یا بیشتر از دو توده «زیر آستانه بحران» برای تشکیل توده «ورای آستانه بحران» باید در کنار هم آورده شوند که در این صورت موقع انفجار به نوترون بیش از آنچه که هست برای رسیدن به یک واکنش شکافتی، نیاز پیدا خواهد شد.
2 - نوترون های آزاد باید در یک توده «ورای آستانه بحران» القا شوند تا شکافت آغاز شود.
3 - برای جلوگیری از ناکامی بمب باید هر مقدار ماده که ممکن است پیش از انفجار وارد مرحله شکافت شود برای تبدیل توده های «زیر آستانه بحران» به توده هایی «ورای آستانه بحران» از دو تکنیک «چکاندن ماشه» و «انفجار از درون» استفاده می شود.تکنیک «چکاندن ماشه» ساده ترین راه برای آوردن توده های «زیر بحران» به همدیگر است. بدین صورت که یک تفنگ توده ای را به توده دیگر شلیک می کند. یک کره تشکیل شده از اورانیوم 235 به دور یک مولد نوترون ساخته می شود. گلوله ای از اورانیوم 235 در یک انتهای تیوپ درازی که پشت آن مواد منفجره جاسازی شده، قرار داده می شود.کره یاد شده در انتهای دیگر تیوپ قرار می گیرد. یک حسگر حساس به فشار ارتفاع مناسب را برای انفجار چاشنی و بروز حوادث زیر تشخیص می دهد:
1 - انفجار مواد منفجره و در نتیجه شلیک گلوله در تیوپ
2 - برخورد گلوله به کره و مولد و در نتیجه آغاز واکنش شکافت
3 - انفجار بمب
در «پسر بچه» بمبی که در سال های پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر هیروشیما انداخته شد، تکنیک «چکاندن ماشه» به کار رفته بود. این بمب 5/14 کیلو تن برابر با 500/14 تن TNT بازده و 5/1 درصد کارآیی داشت. یعنی پیش از انفجار تنها 5/1 درصد ازماده مورد نظر شکافت پیدا کرد.
در همان ابتدای «پروژه منهتن»، برنامه سری آمریکا در تولید بمب اتمی، دانشمندان فهمیدند که فشردن توده ها به همدیگر و به یک کره با استفاده از انفجار درونی می تواند راه مناسبی برای رسیدن به توده «ورای آستانه بحران» باشد. البته این تفکر مشکلات زیادی به همراه داشت. به خصوص این مسئله مطرح شد که چگونه می توان یک موج شوک را به طور یکنواخت، مستقیما طی کره مورد نظر، هدایت و کنترل کرد؟افراد تیم پروژه «منهتن» این مشکلات را حل کردند. بدین صورت، تکنیک «انفجار از درون» خلق شد. دستگاه انفجار درونی شامل یک کره از جنس اورانیوم 235 و یک بخش به عنوان هسته است که از پولوتونیوم 239 تشکیل شده و با مواد منفجره احاطه شده است. وقتی چاشنی بمب به کار بیفتد حوادث زیر رخ می دهند:
1 - انفجار مواد منفجره موج شوک ایجاد می کند.
2 - موج شوک بخش هسته را فشرده می کند.
3 - فرآیند شکافت شروع می شود.
4 - بمب منفجر می شود.
در «مرد گنده» بمبی که در سال های پایانی جنگ جهانی دوم بر شهر ناکازاکی انداخته شد، تکنیک «انفجار از درون» به کار رفته بود. بازده این بمب 23 کیلو تن و کارآیی آن 17درصد بود.شکافت معمولا در 560 میلیاردم ثانیه رخ می دهد.بمب های همجوشی: بمب های همجوشی کار می کردند ولی کارآیی بالایی نداشتند. بمب های همجوشی که بمب های «ترمونوکلئار» هم نامیده می شوند، بازده و کارآیی به مراتب بالاتری دارند. برای تولید بمب همجوشی باید مشکلات زیر حل شود:دوتریوم و تریتیوم مواد به کار رفته در سوخت همجوشی هر دو گازند و ذخیره کردنشان دشوار است. تریتیوم هم کمیاب است و هم نیمه عمر کوتاهی دارد بنابراین سوخت بمب باید همواره تکمیل و پر شود.دوتریوم و تریتیوم باید به شدت در دمای بالا برای آغاز واکنش همجوشی فشرده شوند. در نهایت «استانسیلا اولام» دریافت که بیشتر پرتو به دست آمده از یک واکنش فیزیون، اشعه X است که این اشعه X می تواند با ایجاد درجه حرارت بالا و فشار زیاد مقدمات همجوشی را آماده کند. بنابراین با به کارگیری بمب شکافتی در بمب همجوشی مشکلات بسیاری حل شد. در یک بمب همجوشی حوادث زیر رخ می دهند:
1 - بمب شکافتی با انفجار درونی ایجاد اشعه X می کند.
2 - اشعه X درون بمب و در نتیجه سپر جلوگیری کننده از انفجار نارس را گرم می کند.
3 - گرما باعث منبسط شدن سپر و سوختن آن می شود. این کار باعث ورود فشار به درون لیتیوم - دوتریوم می شود.
4 - لیتیوم - دوتریوم 30 برابر بیشتر از قبل تحت فشار قرار می گیرند.
5 - امواج شوک فشاری واکنش شکافتی را در میله پولوتونیومی آغاز می کند.
6 - میله در حال شکافت از خود پرتو، گرما و نوترون می دهد.
7 - نوترون ها به سوی لیتیوم - دوتریوم رفته و با چسبیدن به لیتیوم ایجاد تریتیوم می کند.
8 - ترکیبی از دما و فشار برای وقوع واکنش همجوشی تریتیوم - دوتریوم ودوتریوم - دوتریوم و ایجاد پرتو، گرما و نوترون بیشتر، بسیار مناسب است.
9 - نوترون های آزاد شده از واکنش های همجوشی باعث القای شکافت در قطعات اورانیوم 238 که در سپر مورد نظر به کار رفته بود، می شود.
10 - شکافت قطعات اروانیومی ایجاد گرما و پرتو بیشتر می کند.
11 - بمب منفجر شود.

منابع :
برق هسته‌ای http://daneshnameh.roshd.ir
دانستنیهای بمب اتم http://www.hupaa.com
بمب اتم babakmc2.blogfa.com

تولید آب سنگین، مراحل و کاربردها

تولید آب سنگین، مراحل و کاربردها

هارولد یوری ،( ۱۸۹۳-۱۹۸۱)شیمیدان و از پیشتازان فعالیت روی ایزوتوپها که در سال ۱۹۳۴جایزه نوبل در شیمی گرفت،در سال ۱۹۳۱ میلادی «ایزوتوپ هیدروژن سنگین»را که بعدها به منظور افزایش غلظت آب مورد استفاده قرار گرفت، کشف کرد.
همچنین در سال «۱۹۳۳گیلبرت نیوتن لوئیس» شیمیدان و فیزیکدان مشهور آمریکایی و استاد هارولد یوری،توانست برای اولین بار نمونه آب سنگین خالص را بوسیله عمل الکترولیز بوجود آورد.
اولین کاربرد علمی از آب سنگین در سال در سال ۱۹۳۴توسط دو بیولوژیست بنامهای هوسی و هافر صورت گرفت. آنها از آب سنگین برای آزمایش ردیابی بیولوژیکی، به منظور تخمین میزان بازدهی آب در بدن انسان، استفاده قرار دادند.

مفهوم و مراحل تولید

آب سنگین (D۲۰) نوع خاصی از مولکولهای آب است که در آن ایزوتوپهای هیدروژن حضور دارند. این نوع از آب کلید اصلی تهیه پلوتونیوم از اورانیوم طبیعی است و به همین دلیل تولید و تجارت آن تحت نظر قوانین بین المللی صورت گرفته و بشدت کنترل می شود.
با کمک این نوع از آب می توان پلوتونیوم لازم بری سلاح های اتمی را بدون نیاز به غنی سازی بالی اورانیوم تهیه کرد. از کاربردهای دیگر این آب می توان به استفاده از آن در رآکتورهای هسته ای با سوخت اورانیوم، متعادل کننده به جای گرافیت و نیز عامل انتقال گرمای رآکتور نام برد. آب سنگین واژه ای است که معمولا به اکسید هیدروژن سنگین، D۲Oیا ۲H۲Oاطلاق می شود.
هیدروژن سنگین یا دوتریوم ایزوتوپی پایدار از هیدروژن است که به نسبت یک به ۶۴۰۰از اتمهای هیدروژن درطبیعت وجود دارد. خواص فیزیکی و شیمیایی آن به نوعی مشابه با آب سبک H۲Oاست. اتم های دوتریوم ایزوتوپ های سنگینی هستند که بر خلاف هیدروژن معمولی، هسته آنها شامل نوترون نیز هست.
جایگزینی هیدروژن با دوتریوم در مولکولهای آب سطح انرژی پیوندهای مولکولی را تغییر داده و طبیعتا» خواص متفاوت فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی را موجب می شود، بطوری که این خواص را در کمتر اکسید ایزوتوپی می توان مشاهده کرد.
بعنوان مثال ویسکوزیته یا به زبان ساده تر چسبندگی آب سنگین به مراتب بیشتر از آب معمولی است. آب سنگین آبی است که در مقایسه با آب معمولی دیرتر می جوشد و زودتر یخ می زند و همانطور که ذکر شد «گیلبرت نیوتن لوییس» نخستین بار نمونه آن را از آب سنگین خالص در سال ۱۹۳۳به دست آورد.

هیدروژن طبیعی دارای دو ایزوتوپ است:ایزوتوپ هیدروژن سبک که تقریبا ۹۹‎/۹۸درصد هیدروژن موجود را تشکیل می دهد و ایزوتوپ هیدروژن سنگین یا دوتریوم که مقدار آن ۱۵درصد است.
ایزوتوپ دوتریوم برخلاف هیدروژن معمولی دارای یک نوترون است.آب معمولی از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است،در حالی که آب سنگین، از یک اتم اکسیژن و دو اتم دوتریوم (D)تشکیل شده است.
برای تولید آب سنگین باید مولکول های آب حاوی هیدروژن سنگین (دوتریوم) را از مولکول های آب معمولی جدا کنند یا از داخل هیدروژن ،اتم های هیدروژن سنگین یا دوتریوم را جدا و خالص کنند.
جرم مولکولی آب معمولی ۱۸و جرم مولکولی آب سنگین ۲۰است. از لحاظ خواص شیمیایی تفاوت چندانی با خواص آب معمولی نداشته و اختلافات جزئی وجود دارد اما از لحاظ هسته ای هیدروژن معمولی می تواند نوترون را جذب کند ،اما احتمال جذب نوترون توسط هیدروژن سنگین بسیار کم است.
به دلیل تفاوت مشخصات هسته ای دوتریوم با هیدروژن ازلحاظ «تکانه زاویه ای و گشتاور مغناطیسی »از آب سنگین و دوتریوم در زمینه های مختلف تحقیقاتی نیز استفاده می شود.
به عنوان مثال رفتار آب سنگین در دستگاه های MRIبا رفتار هیدروژن معمولی متفاوت است.
در فعالیت های تحقیقاتی به منظور بررسی برخی خواص از موادی استفاده می کنند که هیدروژن طبیعی را در آن با هیدروژن سنگین (دوتریوم) جایگزین کرده اند. یکی از کاربردهای دوتریوم استفاده در تولید نوترون در شتاب دهنده ها و تولید انرژی در «راکتورهای گداخت» است.

آب نیمه سنگین

چنانچه دراکسید هیدروژن تنها یکی از اتمهای هیدروژن به ایزوتوپ دوتریوم تبدیل شود نتیجه حاصله (HDO)را آب نیمه سنگین می گویند.
در مواردی که ترکیب مساوی از هیدروژن و دوتریوم در تشکیل مولکوهای آب حضور داشته باشند، آب نیمه سنگین تهیه می شود.
دلیل این امر تبدیل سریع اتم هی هیدروژن و دوتریوم بین مولکولهای آب است، مولکول آبی که از ۵۰درصد هیدروژن معمولی (H)و ۵۰درصد هیدروژن سنگین (D)تشکیل شده است،در موازنه شیمیایی در حدود ۵۰درصد HDOو ۲۵ درصد آب (H۲O)و ۲۵درصد D۲Oخواهد داشت.
نکته قابل توجه آن است که آب سنگین را نباید با با آب سخت که اغلب شامل املاح زیاد است و یا یا آب تریتیومor (T۲O ۳H۲O)که از ایزوتوپ دیگر هیدروژن تشکیل شده است، اشتباه گرفت.
تریتیوم ایزوتوپ دیگری از هیدروژن است که خاصیت رادیواکتیو دارد و بیشتر برای ساخت موادی که از خود نور منتشر می کنند، بکار برده می شود.

آب با اکسیژن سنگین

آب با اکسیژن سنگین،در حالت معمول H۲۱۸Oاست که به صورت تجارتی در دسترس است بیشتر برای ردیابی بکار برده می شود. بعنوان مثال با جایگزین کردن این آب (از طریق نوشیدن یا تزریق) در یکی از عضوهای بدن می توان در طول زمان میزان تغییر در مقدار آب این عضو را بررسی کرد. این نوع از آب به ندرت حاوی دوتریوم است و به همین علت خواص شیمیایی و بیولوژیکی خاصی ندارد ،برای همین به آن آب سنگین گفته نمی شود. ممکن است اکسیژن در آنها بصورت ایزوتوپهای O۱۷نیز موجود باشد، در هر صورت تفاوت فیزیکی ین آب با آب معمولی تنها چگالی بیشتر آن است.
منبع: articles.ir

تبیین ارتباط مروجان و فرهنگ سازان با توسعه فناوری

تبیین ارتباط مروجان و فرهنگ سازان با توسعه فناوری

3-1) لزوم آشنایی هنرمندان و مدیران رسانه ها

با مفهوم فناوری در این فصل به علت چرایی این نکته می پردازیم که ، چنان چه اصحاب هنر و رسانه، معنای کامل فناوری را درک می کردند، بسیاری از مشکلات جامعه قابل حل بود. به مثالی توجه کنید.ممکن است برنامه ای در خصوص زلزله تولید شود. اگر به مبحث «فناوری» توجه نشود و از ارتباط «زلزله» و«فناوری» غفلت شود چه اتفاقی روی می دهد؟ اتفاقی که می افتد این است: برنامه های زیادی ساخته می شوند، که پیام همه آن ها محدود خواهد بود.در واقع میزان خسارت زلزله ، انواع آلام شهروندان، لزوم کمک رسانی و مباحثی از این قبیل توجه می شود؛ در حالی که باید بررسی شود چه ضعف هایی از نظر مدیریت فناوری در کشور وجود داشته، که باعث این میزان خسارت شده است؟ به عبارت دیگر جامعه می خواهد بداند چرا ما تا این حد از زلزله آسیب پذیر است ؟ این به «مدیریت فناوری» برمی گردد.برای نمونه جامعه طالب دولت الکترونیکی است، تا بسیاری از نیازهای خود به ادارات را با رفت و آمد کمتر ، رفع کند. به همین ترتیب، جامعه طالب خودروی بهتر، سوخت بهتر، مسکن امن تر، محصولات غذایی با کیفیت تر و غیره نیز هست. می خواهد بداند چرا به این خواسته ها دست نمی یابد و مقصر کیست؟ (این بحث ها به «مدیریت فناوری» بر می گردد.)البته اگر «فناوری» را طوری معنا کنید که محدود به یک سری مسائل علمی و انتزاعی شود، ارتباط آن با مسائل جامعه مورد توجه قرار نخواهد گرفت. باید بحث فناوری به گونه ای مطرح شود که با مسائل جامعه گره بخورد. آن گاه جامعه احساس همزبانی و توسعه فناوری را لمس خواهد کرد.

3-2) چرا مباحث مربوط به فناوری از جمله مباحث کلیدی و اساسی کشور هستند؟

امروزه مشکلات اقتصادی ، از جمله مهم ترین مسایلی است که هنرمندان و رسانه ها باید به آن بپردازند. ولی آیا بررسی شده است که ریشه ضعف های کشور در اقتصاد چیست؟ چرا کشور نمی تواند وارد بازارهای جهانی شود و رقابت کند؟ بحث های تخصصی فراوانی وجود دارد که نشان می دهد« فناوری» عامل مزیت ساز در رقابت های اقتصادی جهانی است.دوره ای در طول تاریخ، « دستیابی به مواد اولیه ارزان» عامل مزیت بود و هر کشوری که منابع طبیعی ارزان داشت، در رقابت های مزیت داشت. زمانی نیز «دسترسی به نیروی کار ارزان» مزیت ساز بود، دوره ایی نیز «دسترسی به سرمایه اولیه» و «ثروتمند به دنیا آمدن» مزیت ساز بود، اما دیگر این عوامل، مزیت سازان اصلی نیستند. بهترین شاهد این است که بسیاری از کشورها منابع طبیعی ندارند، نیروی کار ارزان ندارند، سرمایه اولیه ندارند ولی در توسعه اقتصادی و رقابت جهانی موفق هستند . پیداست آن چه اکنون باعث موفقیت در رقابت می شود، موارد دیگری است که همه آن ها به فناوری مربوط می شوند. اگر بخواهید نیروی انسانی متخصص را جذب ، کیفیت بالای ، کارایی و قدرت کاهش هزینه داشته باشید، بایستی به فناوری توجه بیشتری شود.هنور در کشور این تصور وجود دارد که چون نفت و گاز داریم، پس در پتروشیمی موفق می شویم؛ یعنی اساس را مواد اولیه و انرژی می دانیم. لذا نه در جهت توسعه قابلیت های انسانی حرکت می کنیم و نه در جهت توسعه سایر ابعاد فناوری و نتیجه آن می شود که فناوری های از رده خارج شده را با قیمت گزاف به ما می فروشند و با وجود همه مزیت هایی که در مواد اولیه و انرژی داریم، نمی توانیم محصول کیفی و رقابتی عرضه کنیم. این ها همه به این دلیل است که با مفاهیم فناوری آشنا نیستیم و تفکر غالب در جامعه این است که مزیت در انرژی و مواد اولیه است.همچنین اگر سایر اهداف ملی را در ابعاد دفاعی، اجتماعی، سیاسی و غیره در نظر بگیریم، می بینیم فناوری یک رکن مهم است. در بعد دفاعی وقتی قرآن کریم می فرماید «واعدوا لهم مااستطعتم من قوه» ، بحث ایمان و اعتقاد نیست، بلکه منظور عده و عُده و تجهیزشدن از لحاظ نیروی انسانی، تجهیزات و تدارکات مختلف است، که به فناوری مربوط می شود.همچنین در بعد اجتماعی، امروز غرور ملی ما بستگی به این دارد که بتوانیم فناوری را توسعه دهیم و مردم در زندگی خود آن را لمس و احساس پیروزی و افتخار کنند. بناراین اگر معضلات جامعه را به خوبی بشناسیم و اهمیت فناوری را در حل مشکلات در نظر گیریم، کمبودهای فکری، دیدگاه های غلط و موانع مفهومی و فرهنگی که وجود دارد را به جامعه معرفی خواهیم کرد.

3-3) جایگاه زیرساخت فکری فرهنگی در نظام فناوری

توسعه فناوری با افزایش بودجه و با برخی اقدامات محقق نمی شود، بلکه فناوری یک سیستم و نظام است و بخش های مختلف صنعت، دانشگاه زیر ساخت حقوقی ، زیرساخت اقتصادی و سرمایه گذاری ، شرکتهای طراحی مهندسی ، نظام استاندارد، پارک های فناوری و بالاخره زیرساخت فرهنگی را شامل می شود.بخش آخر، یعنی «زیر ساخت فرهنگی» ، بسیار مهم است . در واقع یک بخش مجزا از سیستم نیست، بلکه در کل سیستم مؤثر است. آن چه در حال حاضر در رسانه ها، در قبال فناوری انجام می شود، آن چه که باید باشد، و با آنچه شأن کشور، فاصله بسیاری دارد. این موضوع را می توان از مقایسه حجم و کیفیت برنامه های رسانه های کشور در حوزه «فناوری» با سایر حوزه ها مثل حوزه «ورزش» فهمید و درک کرد.به طور کلی در زمینه زیرساخت فرهنگی فناوری در کشور ضعف داریم. اگر فرهنگ را مجموعه افکار و رفتارها در نظر بگیرید، به خصوص در مورد فکر، ضعف های جدی در میان جامعه و مسئولان وجود دارد که رسانه ها می توانند در این زمینه بسیار مؤثر باشند. ما در حوزه فناوری، حتی واژه ها را درست به کار نمی بریم. مثال : «نوآوری» پیش از این در جزوه بیان شد. مثال دیگر آن است که ما هنوز در خیلی از سازمان ها، واژه «فناوری» را با واژه «صنعت» جابه جا می کنیم، برای مثال می گوییم سازمان پژوهش های علمی – صنعتی ولی ترجمه انگلیسی آن، سازمان پژوهش های علم و فناوری است. یا می گوییم دانشگاه صنعتی شریف ولی ترجمه انگلیسی آن Sharif university of technology است.از بحث واژه ها که بگذریم، گاهی فعالیتهای فرهنگی رسانه ها ضد توسعه فناوری است. برای مثال در صدا و سیما از مخترعی که تنها یک کاردستی ساخته است، تعریف و تمجید می شود، با او مصاحبه می شود و گفته می شود شما مورد علاقه مردم هستید؛ می پرسند آیا ازدواج کرده اید یا خیر و با سؤالاتی از این قبیل ، شخصیت سازی می شود، ولی توجه نمی شود که شاید این کار فرهنگی ضد توسعه فناوری باشد. مثال کسی در گوشه ای از گیلان، خودرو برقی ساخته است، وقتی متخصصان امر می دانند که حتی شرکت های چند ملیتی دنیا هم در ساخت خودرو برقی مانده اند و هنوز نتوانسته اند آن را اقتصادی کنند، آیا این ارزش است که بخواهیم در یک کارگاه، کاری را انجام دهیم که شرکت های چند ملیتی، در قالب شبکه ای از مراکز تحقیقاتیو صنعتی انجام می دهند و هنوز هم موفق نشده اند؟ آیا می خواهیم فرهنگ معجزه را ترویج کنیم؟ آیا این موضوع، ایجاد ذهنیت تخیلی و غلط از «فناوری» در ذهن بیننده نیست؟گاهی در حین مصاحبه، از مخترع سؤال می شود که آیا شما این کار را به تنهایی انجام داده اید؟ او هم با تأکید می گوید: بله ! و سعی می کند ثابت کند که خود به تنهایی ای کار را انجام داده است! در حالی که امروزه نوآوری و توسعه فناوری، حتی از مرحله «کار گروهی» نیز گذشته است و به «کار شبکه ای » بین مراکزو حتی کشورهای مختلف تبدیل شده است. به اصطلاح امروزه ابر و باد و مه و خورشید و فلک باید کار کنند تا «نوآوری» به وجود آید و توسعه فناوری اتفاق بیفتد. پس فناوری امری فراگیر و جامع است و یک نظام را تشکیل می دهد و بخش عمده این نظام نیز به مباحث فرهنگی و فکری مرتبط است و رسانه ها، به خصوص رسانه ملی، در جهت تقویت این زیرساخت فکری و فرهنگی نقش عمده ای دارند.

3-4) مثال های تاریخی تبیین اهمیت «زیرساخت های فکری – فرهنگی» توسعه فناوری

چرا کشور ژاپن در دهه های اخیر توسعه سریع اتفاق افتاد؟ دلایل فرهنگی و اجتماعی آن چیست؟ ریشه های فرهنگی انقلاب صنعتی اروپا در نیمه دوم قرن هجدم کدام است؟ حتی توسعه فناوری که در حد عالی در تاریخ ایران، در قرون سوم تا پنجم و تا عهد صفویه افتاده است (و متأسفانه خیلی از ما دچار فراموشی تاریخی شده ایم و خیال می کنیم در گذشته تنها در نجوم، طب، عرفان و فلسفه درخشان بوده ایم، در حالی که به معنی دقیق کلمه در فناوری و صنعت نیز توسعه زیادی داشته ایم) ، دلایل فرهنگی مشخصی داشته است که بسیار مهم است . لذا در قالب سه مثال « انقلاب صنعتی» ، «تاریخ اوج توسعه فناوری در ایران» و «ژاپن» ، زیر ساخت فرهنگی مطلوب برای توسعه فناوری به تصویر کشیده می شود.
3-4-1) انقلاب صنعتی در بحث « انقلاب صنعتی» ، با این سؤال مواجه می شوید که این پدیده تاریخی که به تعبیری تمام مشکلاتی که جهان توسعه یافته امروز ایجاد می کند و ناشی از آن است ، چرا در غرب و در نیمه دوم قرن هیجدهم اتفاق افتاد؟ در مورد این که چرا این انقلاب در غرب پدید آمد و چرا در نیمه دوم قرن هیجده اتفاق افتاد؛ دید گاه ها و تصورات مختلفی وجود دارد . ممکن است بگویند اختراع ماشین بخار؛ یا رنسانس علمی قرن شانزده باعث آن شد؛ یا کسی فکر کند بعضی عقاید فلسفی و غیره منتهی به آن شد. در مورد همه این ها بحث های جدی شده و می شود. در مورد رنسانس علمی قرن شانزدهم گفته می شود: «چرا انقلاب صنعتی در نیمه دوم قرن هجدم یعنی دو قرن بعد از رنسانس اتفاق افتاد؟ » اگر عامل اصلی در «انقلاب صنعتی» ، رنسانس علمی بود، چرا همان قرن شانزده اتفاق نیافتاد؟ البته شکی نیست که رنسانس علمی قرن شانزده در انقلاب صنعتی قرن هیجده تأثیر داشته است. اما سؤال این که آیا دلیلی اصلی بوده است؟ آیا همیشه ابتدا توسعه علمی اتفاق می افتد و بعد توسعه فناوری؟ آیا عکس این رابطه برقرار نیست؟ (برای مثال اختراعات قبل از قرن شانزدهم ، مانند: دوربین نجومی، ساعت و چاپ به عنوان مقدمه رنسانس علمی شناخته شده اند. چرا که هر سه ، ذهنیت بشر را تغییر داده اند).اما دلایل دیگر نیز از طرف جامعه شناسان و صاحب نظران برای وقوع انقلاب صنعتی در نیمه دوم قرن هیجدهم بیان شده است. برای مثال گفته می شود در انگلستان (به عنوان شروع کننده انقلاب صنعتی به نظر اکثر صاحب نظران) سرمایه داران نظام روستایی آن زمان ، پارچه هایی را از خانه ها جمع آوری و صادر می کردند . تجارت آنان در همین حد بوده است. لذا فکر می کردند که اگر این پارچه ها به جای خانه در کارگاه تولید شوند، نظارت بیشتری بر کارگر دارند. همین نظام کارگاهی و در ساعت مقرر سرکارآمدن و رفتن، باعث توسعه کسب آنان می شود. بنابراین یک تغییر سازماندهی اتفاق افتاد و این تغییر سازماندهی باعث شد، استفاده از ماشین آلات بزرگ تر نساجی هم امکان پذیر شود. یعنی عامل سازماندهی موجب می شود که توسعه ماشین آلات اتفاق بیفتد.دلیل دیگری که مطرح شده آن است که در زمان انقلاب صنعتی، گروه های اجتماعی که حامی آجاد افراد بودند، به هر دلیلی اعتبار خود را در جامعه از دست داده بودند و این باعث شده بود که جامعه اتم شود ؛ این افراد اتم و منفرد، در پی یک سقف حمایتی جدید بودند. لذا نظام جدید کارخانه داری مورد استقبال قرارگرفت و همه به شهرها مهاجرت کردند تا زیر این سقف گرد آیند.
همچنین گفته می شود که شور و شوق مردم در قرن هجدهم برای توسعه فناوری، سبب شد طعم شیرین محصولات توسعه فناوری در مواردی چشیده شود. لذا فضایی به وجود آمد که همه دوست داشتند، نوآوری کنند.
این ها عوامل مختلفی است که نشان می دهد برای وقوع انقلاب صنعتی، فضای فرهنگی و اجتماعی خاصی مورد نیاز بوده است . ما (ایرانیان) نیز اگر می خواهیم به توسعه فناوری دست یابیم، باید فضای فرهنگی مناسبی که با شرایط کنونی نیز مناسب باشد، ایجاد کنیم.
3-4-2) تاریخ اوج توسعه فناوری در ایران مثال دوم، از تاریخ ایران است و نشان می دهد که توسعه صنعتی مخصوص دیگران نیست. ایران زمانی نه فقط در صنایع نساجی، به عنوان مهمترین صنعت آن زمان، در اوج بود (هر شهر ایران در جهان به نام پارچه ای شناخته می شد، بیرق امپراطور ژاپن و پارچه مرگ پادشاه فرانسه با پارچه ایرانی ساخته می شد و … ) بلکه در صنایع فلزی، آبیاری ، دریایی، ذوب فلز و غیره نیزدر گذشته سرآمد بوده ایم. در این جا نیز یک بحث اجتماعی و فرهنگی مهم وجود دارد. می بینیم که صنعتگران و نیروهای فنی ما که به عنوان «استاد کار» و صاحبان حرف، شناخته می شدند، در گذشته جایگاه اجتماعی بسیار رفیعی در جامعه داشته اند؛ خانواده ها از آنان حساب می بردند و فرزندان را تشویق به اطاعت از استاد می کردند( جور استاد به ز مهر پدر) . این استادان، حتی قطب عرفانی شاگردان بودند، حکومت ها از آنان حساب می بردند و به شکل های مختلف می توان نشان داد که چه منزلت اجتماعی رفیعی داشته اند. تأثیر این منزلت آن بود که وقتی محصول رقیب را می دیدند، چه از داخل و چه از خارج، تلاش می کردند در این رقابت پیروز شوند. زیرا در صورت موفق نشدن، منزلت اجتماعی را از دست می دادند. در واقع انتقال فناوری در آن زمان از طریق مشاهده محصولات صورت می گرفته است. مثال: خبری درباره پارچه های هندی دریافت می کردند و سریع ً به کیفیت پارچه های ایرانی می افزودند. جالب است که این وضعیت تاریخی را با وضع امروز خود مقایسه کنیم. آیا اگر امروز مدیران صنعت خودرو را تحقیر و تمسخر کنید، غیرت آنان به جوش خواهد آمد؟ برای حمایت از منزلت اجتماعی خویش تلاش مضاعف خواهند نمود؟ انگیزه زمانی ایجاد می شود که جایگاه اجتماعی فرد به کیفیت کار او گره بخورد. هنگامی که باور کردیم به جایی نمی رسیم، از تحقیر هم تأثیری نمی پذیریم. جالب است که اگر تیم ملی فوتبال ما به تیم ملی فوتبال کره ببازد، آثار این باخت در جامعه ملموس است. حتی آمار تصادفات نیز تفاوت می کند اما اگر دو تیم اول باشگاهی فوتبال ، قسمت جلوی پیراهن خود را در اختیار نام دو شرکت کره ای قرار دهند و ما در طول نود دقیقه شاهد آن باشیم، به هیچ عنوان احساس نمی کنیم که این هم یک شکست ملی است! جای بحث و تأمل دارد که چرا وضعیت فرهنگی در تاریخ کشور ما ( همان منزلت رفیع استادکاران) در قرن های اخیر ادامه پیدا نکرد؟ کاری که ژاپن در انقلاب میجی کرد (همزمان با انقلاب صنعتی)، این بود که همان ساختار سنتی کشورخود را که شباهت هایی هم به ساختار ما داشت، به تدریج به ساختار جدید صنعتی تبدیل کردند. ولی در کشور ما چه اتفاق افتاد؟ در کشور ما زنجیره توسعه صنایع گسسته شد و هیچ سنخیت و ارتباطی بین صنایع سنتی و صنایع وارداتی برقرار نشد.
3-4-3) شرایط فرهنگی توسعه اخیر ژاپن مثال سوم، در مورد توسعه اخیر ژاپن است، نباید تصور کرد معجزه ای اتفاق افتاده؛ این که گفته می شود، در جنگ جهانی دوم بمبئی منفجر شده و ناگهان ذهن ژاپنی ها عوض شده است، داستانی بیش نیست. نباید تاریخ توسعه ژاپن را از جنگ جهانی شروع و فکر کنیم در آن زمان ژاپن از صفر شروع کرده است. حتی آلمان هم که در جنگ با خاک یکسان شد، در واقع از صفر شروع نکرد؛ زیرا همان طور که در فصل قبل گفته شد، فناوری مساوی با کارخانه و تجهیزات نیست، که اگر با خاک یکسان شود، به وضعیت صفر برگردیم.فناوری توانایی هایی است که در انسان ها وجود دارد و با بمب از بین نمی رود. ژاپن قبل از جنگ، کشوری استعمارگر بود و حتی گفته می شود که استعمار ژاپن کثیف تر از استعمار انگلیس بوده است. فجایعی که در ژاپن در اندونزی، فیلیپین و چین داشته اند، نشان می دهد که ژاپن شرایط فرهنگی ابرقدرت شدن را از قبل داشته است . همچنین موقعیت این کشور که میان دریا بود و کمترین تهاجم به این کشور در طول تاریخ صورت گرفت، عوامل فرهنگی مؤثری بود که در توسعه جدید صنعتی آن مؤثر است. نکته مهم در خصوص ژاپن این است که مدیریت و اقتصاد ژاپن، فصل نوینی در تئوری ها باز کرد. حتی در برخی از دانشگاه های آمریکا، دانشکده های اختصاصی برای مطالعه مدیریت ژاپنی ها ایجاد شد. لذا مشخص است که تفاوت های فرهنگی موجب این تفاوت های مدیریتی شده است. الگوی سازمانی متفاوت در ژاپن، با شرایط فرهنگی آن سنخیت دارد. البته این موضوع محدود به ژاپن نمی شود و حتی در خود غرب نیز مدل های توسعه کشورها با هم متفاوت است. برای مثال مدل آلمان با فرانسه و نیز با ایتالیا تفاوت های بسیاری دارد. این نشان می دهد که ما باید تفاوت های فرهنگی را در نظر گرفت و خلاف گفته برخی افراد، یک راه، برای صنعتی شدن و توسعه فناوری وجود ندارد. بهر حال این مثال ها نشان می دهد، که باید شرایط فرهنگی و تاریخی کشورها را در تحلیل ها لحاظ کرد و متناسب با فرهنگ بومی تصمیم گیری کرد. تنها یک روش خاص برای صنعتی شدن وجود ندارد. اگر بخواهید این پیشرفت ها درایران عزیز اتفاق بیفتد، باید بنگرید مزیت های فرهنگی چیست و ضعف های فرهنگی ایران چیست؟ اگرضعف مردم ایران خودباوری است، در مورد آن چاره ای اندیشید، پیشرفت های بسیاری در سال های اخیر در کشور بوجود آمده است که متأسفانه به اطلاع جامعه نرسیده است ؛ می توان در جهت ارتقای خودباوری روی آن ها تبلیغ کرد .همچنین تصورنادرستی در مورد توسعه فناوری در کشور وجود دارد که باید اصلاح شود. رسانه ها به خصوص صدا و سیما، می توانند حتی جهت گیری های نادرستی را که مسؤولان در این زمینه دارند، اصلاح کنند.

3-5) مقایسه زیر گروه های جامعه با زیرگروه فناوری

اگر اهمیت توسعه فناوری در سطح کلان و بحث «زیر ساخت فرهنگی توسعه فناوری» را هم در نظر نگیرند و مسأله توسعه فناوری را مربوط به یک زیرگروه از جامعه ( یعنی ، محققان و صنعتگران و امثال آن تلقی کنند، آیا در حد یک زیر گروه از جامعه، به درد دل های این اقشار و مسائل و مشکلات آنان در رسانه ها توجه می شود؟
برای مثال« ورزشکاران حرفه ای» ، یکی از زیر گروه های جامعه هستند، برای آن که بقیه مردم را به ورزش تشویق کنیم، حرف ها و مسائل آنان را در رسانه مطرح می کنیم. فرض کنید ورزشکاری به جایی پناهنده شود یا اتفاقی برای او بیفتد، چه میزان خبرسازی و برنامه سازی در تلویزیون می کنیم؟ اما اگر نیروهای فنی زیادی از این کشور مهاجرت کنند، کسی متوجه نمی شود. اهمیت کدام زیر گروه برای کشور بیشتر است؟ آیا تشویق مردم به ورزش، تا این اندازه مهم تر از تشویق آنان به علم و فناوری است؟ همین بحث را می توان در خصوص مقایسه حجم و کیفیت برنامه هایی که در حوزه «پزشکی» در رادیو و تلویزیون پخش می شود، با سایر حوزه های فناوری فهمید. حوزه های دیگر فناوری نیز همچون «پزشکی» با زندگی مردم گره خورده است؛ ولی به آن ها توجه نمی شود.

3-6) نقش مروجان و رسانه ها در تفسیر صحیح شعارهای مطرح شده از طرف رهبران جامعه

شعار نهضت نرم افزاری و تولید علم از طرف رهبران جامعه مطرح شده است. متأسفانه از شعار «تولید علم» سوء برداشت شده ؛ که نگران کننده است . هنوز هستند کسانی که «تولیدعلم» را معادل با «افزایش تعداد مثاله چاپ شده در مجلات ISI» می دانند. البته گاهی ممکن است شاخص هایی چون «تعداددانشگاه» ، «تعداد دانشجو» ، «تعداد استاد» و یا «تعداد مراجعه کنندگان به مقالات ایرانی» را هم به آن اضافه کنند. این درست که در بسیاری از منابع خارجی هم، از این شاخص ها، به عنوان شاخص های «توسعه علمی» تعبیر می شود. اما باید فهمید آن شاخص ها در چه فضایی مطرح شده اند؟ آیا با آن چه که دغدغه مسؤولان و جامعه بوده و نیاز کشور ماست یکسان هستند؟ در واقع، اولین قدم «نظریه پردازی بومی»، همین است که در ترجمه شعار «تولید علم» ، هر چه در کتابهای خارجی نوشته شده است را ملاک قرار ندهیم. می شود این را از مقام معظم رهبری استبصار کرد که آیا منظور جنابعالی ، چاپ مقاله در مجلات خارجی بوده است؟ مقاله را باید منت کشید تا در یک مجله خارجی چاپ کنند، اما اگر به فناوری تبدیل شود، میلیون ها دلار یز به شما پول می دهند تا فناوری را به آن ها ارائه دهید. بحث مهم در اینجا ای بحث است که آیا حوزه علوم تجربی هم مانند حوزه معارف حکمی و عرفانی است که هنوز کتب حافظ و مولوی قابل استفاده باشد؟ آیا مقالاتی که سریعً تجاری نشوند، منفعتی برای کشور خواهند داشت؟ «سرعت تجاری سازی» ، ایجاب می کند که در یک شبکه همکاری علمی و فناوری با دنیا مشارکت کنید. اگر فرآیندی در تولید علم ایجاد شود، که منفعت آن به کشور نرسد و صرفاً با فشار بودجه دولت اتفاق بیفتد، مسلم بدانید حرکت مستمری نخواهد بود. اگر در پی «تولید علم» و «نهضت نرم افزاری» هستید، باید دانست این شعار در حوزه های مختلف چگونه به نفع جامعه و متناسب با شرایط آن خواهد بود. یقین بدانید تفسیر آن در حوزه علوم تجربی با حوزه علوم انسانی فرق می کند. برای مثال در حوزه علوم انسانی ، به نظریه پردازی بومی نیاز بیشتری داریم. یکی از معضلات کشور در حوزه هایی چون جامعه شناسی ، اقتصاد و غیره، تفکرات وارداتی است( حتی در همین موضوع «مدیریت فناوری» و «اقتصاد توسعه» مشکل جدی داریم و تئوری های موجود در زمینه جایگاه سیاست گذاری فناوری در توسعه اقتصادی، متناسب با شریاط کشور ما نیست) .اما در حوزه علوم تجربی و فنون و صنایع، بحث فرق می کند. در این حوزه ، تولید فناوری به این معنی است ؛ که در چند مورد ، در جهان پیشرو و در سایر موارد، توانایی گیرندگی خوب داشته باشیم. اگر در هیچ حوزه ای نتوانید حرفی برای گفتن داشته باشید،همکاری با کشورهای دیگر، صورت «نوکر و ارباب» به خود خواهد گرفت. همین می شود که فناوری قدیمی را با بهای گزاف به ما می فروشند تا خود از آن خلاص شوند. لذا انتقال فناوری در چنین وضعیتی موفق نخواهد بود. اما اگر در یکی دو حوزه، حرفی برای گفتن داشته باشیم و سریع به مرحله تجاری رسیده و وارد بازار شویم. فرصت آن نیست که در همه زمینه ها، خود تحقیق کنیم و به ناچار باید در بسیاری حوزه ها گیرنده فناوری بود. البته گیرنده فناوری بودن نیز یک کار علمی تحقیقاتی است و به این آسانی میسر نمی شود. بنابراین «تولید علم» در حوزه علوم تجربی را می توان به معنی رسیدن به رتبه «تبادل پایاپای» تفسیر کرد؛ نه پیشرو شدن در همه حوزه ها، که محال است و هیچ کشوری در جهان چنین کاری نکرده است. تولید علم «در این حوزه ، یعنی کاری کنیم که جهان ما را در سطح «تبادل پایاپای فناوری» بپذیرد؛ لذا در برخی حوزه ها، گیرنده قوی بودن فناوری، «ارزش» و به این معنی است که دنیا ما را برای همکاری علمی پایاپای، مناسب تشخیص داده است. از طرف دیگر، تولید و توسعه فناوری، به معنی کاری تحقیقاتی که در دانشگاه یا پژوهشکده های علمی انجام شود نیست. بلکه به معنی این است که همه بخش های جامعه، از جمله صنعت، تجارت ، زیر ساخت حقوقی، استاندارد، اطلاع رسانی، بانک، بیمه و غیره بسیج شوند تا نوآوری، پیشرفت کیفی، کاهش هزینه ها، ارایه محصول جدید و ... در بخش های مختلف اتفاق بیفتد، این را توسعه فناوری می گویند.

7-3) نکاتی در ترویج صحیح مباحث مرتبط با فناوری

برخی نکات که بایستی در ترویج صحیح مباحث مرتبط با فناوری به آن توجه نمود، از قرار زیر است :
3-7-1) تفکیک مباحث فناوری از مباحث اقتصادی و علمی بحث فناوری را بادی از بحث های کمی اقتصاد، آمار و ارقام رایج رشد اقتصادی جدا کرد. گاهی در مورد رشد تولید، رشد اشتغال و مباحثی از این قبیل تبلیغ و برنامه پخش می کنیم، ولی به این که چه چیزی تولید می شود و مردم ما چه شغلی دارند و چه جایگاهی در تقسیم جهانی کار داریم توجه نمی کنیم. مباحث اخیر به موضوع فناوری بر می گردد، نه به موضوعات کمی و کلان اقتصاد، به طور کلی موضوع فناوری، مرتبط با موضوعاتی همچون: «اقتصاد» ، «علم» و غیره است. اما به لحاظ مفهومی متمایز و به رسمیت شناختن این تمایزبسیار مهم است. پیش از این در مورد اهمیت تمایز «فناوری» از «علم» و پیامدهای آن در سیاست های کشور توضیح داده شد.
3-7-2) ابزارهای کنترل شارلاتانیزم علمی مروجان نیازمند ابزارهایی برای کنترل شارلاتانیزم علمی و ارزش گذاری صحیح روی مخترعین ، نوآوران هستند تا در برنامه های مربوط به اختراع و نوآوری، کسانی را که حرف برای گفتن دارند، ولی ممکن است در دل بخش های صنعت و تولید باشند و چندان انگیزه ای برای نمایش دادن آثار خود نداشته باشند، دعوت کرده و از آنان هم تجلیل کنند، و از تبلیغ اختراعاتی که زیاد هیاهو می کنند ولی در واقع یک کاردستی بیش نیستند و تبلیغ آن باعث منحرف کردن افکار جامعه از مسائل واقعی فناوری است، بپرهیزند. مسأله شارلاتانیزم علمی مسأله مهمی است که باید کنترل شود . یکی از معضلات کشورهای جهان سوم این است که چون احساس عقب ماندگی می کنیم، ممکن است با پیشرفت ناچیزی دچار شتاب زدگی شویم و فکر کنیم اتفاق بزرگی افتاده و فضا برای سوء استفاده شارلاتان های ی علمی ایجاد شود. سیستم هایی وجود دارد که با استفاده از بانک های اطلاعاتی، این مشکلات را اندک می کند. ما باید با کمک سازمان هایی که در این کار تجربه دارند، برای تشکیل این بانک های اطلاعاتی بکوشیم. کاربرد این سیستم ها این است که اگر از تحلیل گری دعوت می شود، پرونده ای در مورد او باشد که بدانیم او چه کاره است. با این سیستم می توان مراقب بود که شارلاتان ها وارد برنامه ها نشوند.

3-8) مثال ها و سوژه ها
جهت آشنایی عینی تر با برخی مثال ها و سوژه های فرهنگ سازی فناوری، مثال های زیر ارائه می شوند.

شباهت های حوزه ساختمان با حوزه پزشکی

چرا فکر می کنیم فقط حوزه پزشکی با جان مردم ارتباط دارد؟ همان گونه که در حوزه پزشکی ، علاوه بر بحث های علمی، مردم می خواهند با بحث «مدیریت بیمارستان» آشنا شوند و بدانند که سیستم اورژانس کشور یا دقت آزمایشگاه های پزشکی کشور چگونه است؟ باید چگونه باشد. در سایر حوزه های علمی نیز مردم باید با مسائل مدیریتی پیرامون آن حوزه آشنا شوند. برای مثال در حوزه ساختمان، برای مردم مهم است که چه سوء مدیریت هایی، موجب این همه آسیب پذیری در بحث زلزله شده است. علوم مربوط به ساختمان هم مانند علم پزشکی، با جان مردم سرو کار دارد. مردم باید بدانند؛ دنیا در زمینه پیش بینی زلزله چه پیشرفت علمی داشته است. باید بدانند که حتی ارتفاع ساختمان در مناطق مختلف شهرها باید متفاوت باشد. در برخی مناطق، ساختمان بلند از نظر زلزله امن تر است و در برخی مناطق، ساختمان کوتاه ایمنی بیشتری دارد.

صنایع دریایی

ما صنعت دریایی را در کشورسال ها به کلی فراموش کردیم. شهرهای ساحلی در همه جای دنیا، ثروتمندترین شهرها هستند. اما در کشور ما این گونه نیست و ین مناطق محروم ترین مناطق هستند. آیا تبلیغات وسیع روی پتانسیل صنعت دریایی و اقتصاد دریایی کشور، منجر به رونق این مناطق و اشتغال آفرینی نخواهد شد؟
در بخش صنایع دریایی، سوژه های زیادی از جمله : فرصت های تعمیرکشتی، اشتغال زایی با «صنعت اوراق کشتی» سودهای کلان کشورهای حوزه خلیج فارس از سوخت رسانی به کشتی های عبوری، جای گزینی شناورهای سنتی و تأثیر آن بر زندگی مردم و غیره وجود دارد. همچنین می توان در برنامه های تلویزیون، استان های جنوبی کشور را نشان داد که فقر و اعتیاد در این مناطق بیداد می کند و در کنار آن نشان دهیم که صنعت کشتی سازی چه صنعت اشتغال زایی است . نشان دهیم که وقتی یک کشتی ساخته می شود، کیلومترها جوشکاری که در آن انجام می گیرد، چقدر اشتغال زا است. نشان دهیم که در بندری در امارات ، تنها برای سوخت رسانی به کشتی های عبوری، یک میلیارد دلار در سال درآمد ایجاد شده است و مناطق ساحلی ما با این همه قانون مناطق آزاد و غیره هیچ فعالیتی در این زمینه نمی کنند.
تهیه کننده : گروه مواد و نانو تکنولوژی
شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران
منبع:www2.irib.ir

مفاهیم فناوری

مفاهیم فناوری
امروزه اگر به سراغ اغلب مدیران کشور بروید و معنای «فناوری» را طلب کنید، پاسخ آنان شاید در این جمله ها خلاصه شود: «ما یا تجهیزات مورد نیاز را خود می سازیم و یا می خریم؛ در صورت اول، دارنده فناوری در این زمینه هستیم و در صورت اول، دارنده فناوری در این زمینه هستیم و در صورت دوم با خرید تجهیزات لازم، انتقال فناوری کرده ایم. آری تصور عمومی جامعه صنعتی و علمی ما از فناوری، چیزی جزماشین آلات نیست. ولی آیا به راستی این گونه است؟ اگر سری به کتب مدیریت فناوری ، جامعه شناسی و فلسفه فناوری و سیاست گذاری فناوری بزنید و فهرست آن ها را مشاهده نمایید، با دیدن عناوین مطرح شده، سؤالات زیر از ذهن شما خواهد گذشت:
_آیا فناوری، تعریف دقیقی دارد؟
_ چه تفاوتی بین علم، فناوری و صنعت وجود دارد؟
_ اختراع و نوآوری به چه معنا است و تفاوت آن ها چیست؟
_ چرخه عمر فناوری به چه معناست؟ مگر فناوری هم عمر دارد؟

_1 مدیریت فناوری یعنی چه ؟

_ روش های کسب فناوری چیست؟
_ انتقال فناوری به چه معناست؟ آیا تنها و اغلب به معنی خرید ماشین آلات است؟
_ شبکه فناوری یعنی چه و اجزای این شبکه کدام است؟
_ استاندارد چه تأثیری بر توسعه فناوری دارد؟
_ آیا توسعه فناوری باعث توسعه سرمایه داری و بی عدالتی و یا گسترش مفاسد اخلاقی خواهد شد؟
پاسخگویی به تمامی مسائل فوق از عهده جزوه ای مانند جزوه حاضر برنمی آید. افزون بر این باید ببینیم که پاسخگویی به چنین سؤالاتی ، تا چه حد می تواند مفید باشد.

2-1) مثالی از اهمیت آشنایی با مفاهیم فناوری

با یک مثال می توان نشان داد که مباحث مفهومی تا چه حد در جامعه مورد بی توجهی قرار گرفته است و این مسأله چه اندازه روی تصمیم گیری ها تأثیر می گذارد. برای مثال : واژه «نوآوری» در زبان فارسی معانی متفاوتی در جمله دارد و بر اساس این معانی، تصمیم گیری هم می شود. اگر منظور از «نوآوری» ترجمه innovation است، نباید آن را به معنی «هر آیده جدید» استعمال کرد. Innvoation این معنی را دارد که بایستی محصول، فرآیند یا روش جدیدی به دنیای «کسب و کار» معرفی شود. بنابراین به یک اختراع یا ایده جدید در آزمایشگاه نوآوری نمی گویند، بلکه نوآوری باید اقتصادی و معنی دار برای صنعت باشد.به طور کلی در بحث فناوری، باید از مرز اختراع عبور کرد و به دنبال ورود به بازارهای واقعی ( به خصوص بازارهای جهانی) بود؛ به همین سبب عوامل بسیاری در توسعه فناوری دخیل هستند این عوامل اغلب اقتصادی، مدیریتی، حقوقی و غیره را شامل می شوند. لذا نباید به فکر توسعه شاخص های علمی بود. «توسعه علم» به معنی این که تحقیقات علمی انجام شود و (paper ) هایی تولید شود، گامی بسیار کوچک در توسعه فناوری است. متأسفانه این بحث که تصور می شود بین «توسعه علم» و «توسعه فناوری» ، رابطه خطی وجود دارد و می گویند «علم امروز فناوری فرداست» ، نادرست است و در ادبیات مدیریت فناوری مردود اعلام شده است.البته باید به بحث فوق، بحث اهمیت خود فناوری را هم افزود . اهمیت خود فناوری، یعنی اگر در توسعه فناوری ناموفق شوید، چه بحران هایی برای کشور پیش خواهد آمد؟ چه ضایعات اقتصادی به کشور وارد خواهد شد؟ صادرات غیرنفتی کشور چه رقمی خواهد داشت و پیامد آن در بحث اشتغال و غیره چه خواهد آمد؟ به خصوص از بعد بین المللی و از بعد اثبات کارآمدی نظام چه مسائلی در پی خواهد داشت؟ غرور ملی چه وضعی پیدا خواهد کرد؟
اگر پاسخ به سؤالات فوق نشان داد که «فناوری» عاملی کلیدی در تحولات و جایگاه کشور است، آن گاه اهمیت آشنایی هنرمندان و صاحبان رسانه به مفاهیم فناوری بیش از پیش آشکار خواهد شد.

2-2) تعریف «فناوری» و رابطه آن با «علم» ، «صنعت» و «طبیعت»

سه تعریفی که از فناوری موجود است و به نظر می رسد از بقیه رایج تر باشند، عبارتند از: «عامل تبدیل منابع به کالا و خدمات»، «کاربرد علم در عمل» و «مجموعه سخت افزار و نرم افزار (نرم افزارهای مختلف شامل انسان افزار)» روی این تعاریف بحث های فراوانی وجود دارد ( البته بحث درست و نادرست در تعریف مطرح نیست ؛ ولی باید تعریفی ارائه شود که بیشترین کاربردهای واژه در زبان پوشش داده شود و جلوی انحراف گرفته شود) . برای مثال تعاریفی که فناوری را «کاربرد علم» مطرح می کنند، می توانند انحراف زا باشند؛ چرا که مفهوم و هدف علم و دانش، توسعه شناخت بشر است. اما هدف فناوری تسلط بر طبیعت و توسعه توانایی های بشر است. گاه مشاهده می شود که توسعه فناوری بر سعی و خطا استواربوده است نه بر فرمول های علمی (فرمول ها و دلایل علمی آن مدتها بعد شناخته شده است).
برای مثال : برادران رایت، وقتی هواپیما را می ساختند، در پی کشف فرمول های آیرودینامیکی نبودند (انگیزه علمی) ؛ همچنین به دنبال کسب سود (انگیزه اقتصادی) یا به دنبال پیروز شدن در انتخابات (انگیزه) سیاسی نبودند؛ آنان به دنبال پرواز کردن بودند، به دنبال تسلط بر طبیعت و ماجراجویی و غیره بودند. به این موارد اخیر، انگیزه های فناورانه می گویند که با انگیزه علمی (تلاش در جهت افزایش شناخت) متفاوت است.
البته بحث تمایز مفهومی فناوری از علم، یک بحث صرف فلسفی نیست؛ بلکه در سیاست گذاری کلان کشورها بسیار اهمیت دارد. مثل در انگلستان حدود سال یک هزار و نهصد و چهل و پنج ، بحث سیاستگذاری علم و فناوری مطرح شد. اوایل می پنداشتند عامل اصلی در سیاست گذاری فناوری، سیاست گذاری علمی است. یعنی دولت باید با حمایت از تحقیقات و آموزش که در راستای توسعه علمی است، به توسعه فناوری کمک کند. اما بعد متوجه شدند که عوامل بسیار دیگری در توسعه فناوری تعیین کننده هستند که دولت ها باید تلاش خود را صرف آن ها کنند. این عوامل اغلب ماهیت مدیریتی، اطلاعاتی ،حقوقی ، اقتصادی و غیره دارند و به «سرعت انتشار فناوری» و «استفاده سریع تجاری از فناوری» کمک می کنند. این بحث نشان می دهد که اگر تعریف فناوری با تعریف علم مخلوط شود، تا چه حد در سیاست گذاری های کشور به بیراهه خواهیم رفت.این تصور که علم و فناوری در دهه های اخیر و در حوزه های نوین به یک دیگر نزدیک تر شده اند، نیز به معنی نزدیک شدن فاصله زمانی و ساختارهای آن دو است، و به معنی مخلوط شدن مفهوم « علم » و «فناوری» نیست.شبیه همین بحث ها که در مورد تمایز مفهوم «فناوری» از «علم» بیان شد و تا این حد مشکل ساز بوده است را می توان در مورد تمایز «فناوری» از «صنعت» نیز مطرح کرد. «صنعت» مجموعه نظام یافته ای است که در آن تولید کالا و خدمات اتفاق می افتد. با این معنی امروزه صنعت خودروی وسیعی در کشور وجود دارد. تعریف «صنعت خودرو» این نیست که موتور خودرو را هم خودمان بسازیم، در دنیا هم معمول نیست که خودروساز، موتور و سایر قطعه ها را بسازد.
اما مشاهده می شود با وجود سرمایه گذاری زیاد در صنعت خودروی کشور و گستردگی که این صنعت در کشور دارد، همچنان مردم احساس نمی کنند که ما در این صنعت پیشرفتی داشته ایم و احساس می کنند این خودروها ساخت داخل نیستند. این مثال، مفهوم «فناوری» و تمایز آن از «صنعت» را نشان می دهد. فناوری، آن توانایی هایی است که ما را در امر تولید موفق می کند : توانایی طراحی، توانایی ساخت، توانایی تعمیر و نگه داری ، توانایی توسعه و غیره، این توانایی ها را فناوری می گویند. البته اگر بخواهیم فناوری را دقیق تعریف کنیم، باید به ابعاد دیگر نیز اشاره کنیم. برای نمونه فناوری ساخته دست و فکر بشر است؛ چیزی است که در طبیعت به طور طبیعی وجود نداشته و انسان ایجاد کرده است. این مرز «فناوری» با «طبیعت» است. همچنین باید دقت نمود این توانایی که حاصل دانش، ابداع و تجربه بشر است، به چه شکل هایی ظهور و بروز پیدا می کند. این توانایی گاهی در قالب ماشین آلات و تجهیزات ظهور می یابد، گاهی در قالب طرح ها، نقشه ها و فرمول ها، گاهی در قالب مهارت با دست و توانایی های کار گروهی، گاهی در قالب اطلاعات و ارتباطات، گاهی در قالب قوه خلاقیت و ابداع و غیره. بر این اساس، خود تجهیزات و ماشین آلات و ابزار هم در فناوری مهم هستند. همین طور ، نقشه ها و طرح ها و جداول هم مهم هستند. اما نکته مهم این است که تا مجموعه این عوامل ، باعث توانایی نشود، به آن «فناوری» نباید گفت. مثال اگر چند جزوه را به نام دانش فنی به ما بفروشند ولی ما قادر به طراحی و ساخت مجدد نشویم، «فناوری» به دست نیاورده ایم.

2-3) تعریف نوآوری و تفاوت آن با اختراع و ایده جدید

برخی نوآوری را معادل اختراع می دانند. برخی نیز نوآوری را به معنی هر ایده نو قلمداد می کنند. ولی آیا به راستی این گونه است؟ اختراع به معنی محصول، فرآیند یا سیستمی جدید است که در گذشته وجود نداشته است و بایستی جهت حفظ حقوق مخترع، به ثبت برسد (patent شود) موتور بخار و ترانزیستور در زمان خود اختراع بوده اند. اما امروزه اختراعات پیش پا افتاده هستند و اختراعات در فرآیند تولید را نیز ثبت می کنند.اما نوآوری هر چند به معنی ارایه محصول، فرایند یا روشی جدید در بنگاه است، ولی تفاوت مهمی با اختراع و مفاهیمی نظیر آن دارد. نوآوری در دنیای کسب و کار مطرح می شود و معنای اقتصادی و تجاری دارد. لذا برای افزایش رقابت مندی بنگاه ها، ممکن است آن ها از یک اختراع به راحتی نتوانند استفاده تجاری کنند.

2-4) آشنایی با برخی مدل های ذهنی

در مباحث فناوری برخی از مدل های نظری و ذهنی مباحث فناوری در زیر معرفی شده اند:
2-4-1) مدل اجزای فناوری (مدل اسکاپ)بر اساس مدلی که توسط سازمان اسکاپ (وابسته به سازمان ملل) مطرح شده است، فناوری را می توان براساس چهار جزء سخت افزار (ماشین آلات و تجهیزات)، انسان افزار(مهارت ها و توانایی های نهفته در انسان) ، اطلاعات نرم افزار (مستندات و دانش فنی) و سازمان افزار (ابعاد مدیریتی و سازمانی) تبیین نمود. در واقع فناوری به این چهار شکل تجسم می یابد.
2-4-2) مدل سطوح فناوریفناوری دارای سطوح مختلفی است که هر یک خصوصیت خود را دارند. این سطوح عبارتند از : شناخت از وجود و چگونگی کاربرد، بهره برداری (اپراتوری) ، تعمیر و نگه داری ، مهندسی ساخت، مهندسی طراحی، تحقیقات توسعه ای و تحقیقات کاربردی. این که هر کشور و هر صنعتی به کدام یک از این سطوح نیاز بیشتری دارد. انتقال فناوری در کدام یک از این سطوح انجام شود، کدامیک ارزش افزوده و اهمیت بیشتر برای ما دارد و سؤالاتی از این قبیل، سؤالات مهمی در مدیریت فناوری هستند که «مدل سطوح فناوری» قابل پاسخ گویی خواهند بود.
2-4-3) مدل چرخه عمر فناوریفناوری نیز مانند انسان ها روزگاری متولد می شود و زمانی از بین می رود. این مراحل، دوره عمر فناوری را تشکیل می دهد. برای بررسی چرخه عمر فناوری، از نموداری در این زمینه استفاده می شود که نمودار چرخه عمر فناوری نام دارد. محور عمودی، مربوط به میزان استقبال جامعه از فناوری است که اغلب سهم بازار فناوری و محصولات آن است و محور افقی به زمان اختصاص دارد. این نمودار (s) شکل است و از مناطق مختلفی تشکیل شده است. مانند: دوره تولد یا معرفی ، دوره رشد، دوره بلوغ یا اشباع و دوره زوال یا نزول که هر کدام از این دوره ها تعریف مخصوص به خود داشته و خصوصیت خود را دارند.

2-5) مدیریت فناوری

مدیریت فناوری، تخصصی میان رشته ای است که علوم پایه،مهندسی و دانش و روش های مدیریت را در بر می گیرد و بر «فناوری» به عنوان عامل خلق ثروت تأکید دارد.(تولید ثروت در این مورد فراتر از تولید پول است).مدیریت فناوری به مفهوم مدیریت سیستم هایی است که به ایجاد، کسب و استفاده ازفناوری کمک می کنند و فرض بر این است که فناوری مهم ترین عامل تأثیرگذاری در ایجاد سیستمی مبتنی بر ثروت است.در میان مباحث مدیریت فناوری، به مباحثی از قبیل: روش های کسب فناوری، مدیریت نوآوری و سیاست گذاری فناوری برخورد می کنیم.روش های کسب فناوری نیز مختلف است و به دو بخش ایجاد درون زای فناوری و انتقال فناوری تقسیم می شود. روش اول هزینه بر و زمان بر است . اما می تواند تأثیر عمیق تری بر توسعه فناوری بگذارد. انتقال فناوری نیز روشی میان بر برای کسب فناوری محسوب می شود. همه کشورها ناچار از بکارگیری آن هستند و هیچ کشوری نمی تواند به تولید درون زای فناوری بپردازد.

2-6) انتقال فناوری

«انتقال فناوری» فرآیندی است که باعث شکل گیری و جابجایی فناوری از «دهنده» به «گیرنده» می شود. منظور از «دهنده» ، همان مالک یا دارنده دانش است. انتقال فناوری فرآیندی میان بر برای دست یابی به فناوری و روش های مختلفی دارد که در زیر به برخی از آن ها اشاره شده است:
_ خرید حق امتیاز (لیسانس) :که گیرنده، حق بهره گیری از فناوری را خریداری می کند
_ فرانشیز: نوعی خرید حق امتیاز است ؛ با این تفاوت که دهنده فناوری، نوعی حمایت مدوام را به گیرنده عرضه می دارد.
_ سرمایه گذاری مشترک : دو یا چند طرفف منابع خود را در تشکیلاتی تجاری ترکیب می کنند و به واسطه آن می توانند برای توسعه فناوری، ساخت محصول یا تکمیل دانش فنی یک دیگر به تبادل دانش و منابع بپردازند.
_ پروژه های کلید در دست : انجام پروژه کاملی را از یک دهنده خارجی خریداری می کنیم، به نحوی که دهنده فناوری، کلیه مراحل طراحی، پیاده سازی و ساخت را انجام داده و فرآیند نهایی را راه اندازی کرده و جهت بهره برداری به ما تحویل می دهد.
_ سرمایه گذاری مستقیم خارجی : شرکتی ( اغلب چند ملیتی) تصمیم می گیرد تا محصولات خود را در کشوری خارجی تولید کند یا برخی منابع خود را در آن کشور سرمایه گذاری کند. این نوع سرمایه گذاری فرصتی را برای انتقال تکنولوژی به شرکتهای بومی فراهم می کند.( الزامی ندارند که این انتقال منجر به فناوری شود).
_ کنسرسیوم فنی و پروژه تحقیقاتی مشترک: دو یا چند طرف با همکاری هم تحقیقاتی می کنند. زیرا منابع هر کدام به تنهایی برای به نتیجه رساندن تحقیقات و استفاده تجاری از آن کافی نیست.

2-7) نظام ملی فناوری و زیرساخت های آن

نظام ملی فناوری، مجموعه ای از نهادهای فعال در حوزه فناوری ملی است که در تعامل با یک دیگر به سر می برند، این نظام علی رغم وجود برخی نهادهای غیرسود ده در درون خود، در مجموع دارای کارکردی اقتصادی بوده و موجب تقویت زیربنای بخش تولید در سطح ملی می شوند.برخی اجزای نظام ملی فناوری عبارتند از : مؤسسات استاندارد، مراکز ثبت (پتنت)، مراکز انتقال فناوری، صندوق های سرمایه گذاری ریسک پذیر، آزمایشگاه های ملی، مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی مراکز مطالعات و ترویج فناوری R&Dهای صنعتی، شرکتهای طراحی و مهندسی و غیره، بعضی از این نهادها اگرچه در توسعه فناوری بسیار مؤثرهستند و به عنوان زیرساخت توسعه فناوری به شمار می روند. اما دارای منافع اقتصادی نیستند. ولی در مجموع، شبکه دارای بازده اقتصادی است. در ذیل به بررسی دو نهاد از این نوع می پردازیم
2-7-1) مراکز استاندارد مؤسسات استاندارد، از مهم ترین نهادهای فعال نظام فناوری است. ضعف یا وجود نداشتن استانداردهای مناسب، معضلی است که در کشورهای در حال توسعه و حتی بعضی کشورهای توسعه یافته موانع متعددی را بر سر راه گسترش صنعت قرار داده است. وجود مراکز استاندارد و استانداردسازی، از جهت مختلف می تواند، در توسعه فناوری تأثیر داشته باشد. تضمین کیفیت و افزایش تقاضای بازار، شفافیت در همکاری ها و تقسیم کار صنعتی، تسریع تجاری سازی، حذف رقبا از بازار و غیره از این جهت ها است.
2-7-2) مراکز ثبت اختراع (پتنت)مالکیت بر آثار اقتصادی و اجتماعی یک اختراع، گونه ای از مالکیت فکری است. به طور کلی مالکیت فکری، مالکیت و سلطه قانونی است که به موجب آن صاحب اثر می تواند از منافع و شکل خاصی از فعالیت یا اندیشه ابراز شده خود، به طور انحصاری استفاده نماید. مالکیت فکری همانطور که از اسم آن بر می آید، دلالت دارد بر خلاقیت های فکری از قبیل: آثار ادبی و هنری، اختراعات، طرح های صنعتی، علائم و نام های استفاده شده در تجارت و بازرگانی و غیره یکی از انواع مراکزی که نظام مالکیت فکری آن مطرح است، مراکز ثبت اختراع یا پتنت هستند. این مراکز در توسعه فناوری نقش عمده ای داشته و باعث انتشار آسان و شفاف اختراعات و پرهیز از مخفی کاری می شوند. این مراکز از یک طرف ثبت پتنت را به عنوان یک ارزش در جامعه ترویج می کنند و از طرف دیگر پتنت خوانی را برای سایر محققان و مخترعین تسهیل می نمایند.

ترویج نانوفناوری یعنی چه؟

ترویج نانوفناوری یعنی چه؟
برای آشنایی هنرمندان ، فیلم سازان و فعالان نانوفناروی با مفاهیم فناوری و بطور اخص نانوفناوری ،همچنین ترغیب آنان برای ساخت فیلم و خلق آثار هنری در این زمینه، جزوه آشنایی هنرمندان و مروجان با مفاهیم فناوری و ویژگی ها و کاربردهای نانوفناوری توسط گروه مواد و نانوتکنولوژی شبکه تحلیل گران تکنولوژی ایران تنظیم شده است. فهرست عناوین فصل‌های آتی این جزوه به قرار زیر است:

پیشگفتار

ترویج و تبیین هر موضوعی در جامعه، به عواملی مانند «شناخت دقیق موضوع» ، «مخاطب شناسی» ، «هماهنگی در برنامه ها» و «استمرار در تبلیغ» نیاز دارد. مقوله « تکنولوژی » یا «فناوری » نیز فارغ از این مسائل نیست. از یک طرف باید فناوری و لزوم ترویج آن را شناخت و از طرف دیگر در هر موضوع، بایستی مخاطب ها و روش ها را مورد بررسی قرار داد. ترویج نانو فناوری، از اولین اقداماتی بوده که ستاد ویژه توسعه نانوفناوری کشورف تصمیم به انجام آن گرفته و آن را جهت توسعه این فناوری لازم ارزیابی کرده است. به هر حال در روند توسعه هر فناوری، ترویج و انتظار آن در کشور و آماده کردن ذهن متخصصین برای فعالیت در این زمینه همچنین ترغیب مردم برای خرید محصول‌های مرتبط با فناوری مورد نظر، از اهمیت خاصی برخوردار است. در صورت انتشار صحیح یک فناوری است که آن فناوری با اقتصاد ملی گره خواهد خورد و همه گروه های علمی و صنعتی در بهره گیری از آن شریک خواهند شد. شکوفایی صنایع مختلف و بهره گیری صحیح و حتی ایجاد و رشد فناوری جدید، بستگی به ترویج فناوری دارد. البته برای رسیدن به این هدف باید به این موضوع توجه داشت که توسعه یک فناوری، متکی به توسعه پارامترهای فنی نیست، بلکه پارامترهای دیگری را نیز در نظر گرفت از جمله زیرساخت‌های توسعه فناوری است؛ زیرساخت هایی همچون : شبکه ملی آزمایشگاهی، نظام مالکیت فکری، صندوق های سرمایه گذاری ریسک پذیر، مؤسسات استاندارد و غیره، لذا موضوع ترویج شامل همه این پارامترها می شود.
نتیجه مهم : ترویج یک فناوری، به معنی معرفی آن فناوری و کاربردهای آن نیست؛ بلکه ترویج باید زمینه ساز ایجاد سایر زیرساخت‌های توسعه فناوری و رفع مشکلات موجود بر سر راه توسعه فناوری باشد. این موضوع نیز بدون اطلاع از ادبیات «مدیریت فناوری» و درک مشکلات مبتلا به توسعه فناوری میسر نیست. جزوه حاضر که به سفارش ستاد ویژه توسعه فناوری نانو تهیه شده است، برای آشنایی هنرمندان، فیلم سازان و فعالان ترویج نانو فناوری با مفاهیم فناوری و بطور اخص نانوفناوری و ترغیب آنان برای ساخت فیلم و آثار هنری در این زمینه تنظیم شده است.

ترویج نانوفناوری یعنی چه ؟

1-1) تعریف

منظور از «ترویج نانوفناوری» ، تقویت بستر فکری – فرهنگی مورد نیاز توسعه نانوفناوری است. به گونه ای که ضمن آشنا نمودن جامعه و گروه‌های مختلف با فناوری نانو، زمینه های فکری – فرهنگی مورد نیاز برای فعالیت هماهنگ و منسجم همه عوامل درگیر در توسعه این فناوری تقویت شده و هر کس از نقش سازنده خود در این حرکت ملی آگاه شود. چنان که در پیشگفتار گفته شد، ترویج نانوفناوری به معنی معرفی فناوری نانو و کاربردهای آن نیست. بلکه تبیین عوامل و زیرساخت های مؤثر در پیشرفت این فناوری و بیان مشکلات و ایجاد فضا برای حل معضلات نیز مدنظر است. بنابراین هدف از ترویج نانوفناوری را می توان درموارد زیر خلاصه نمود.

1-2) اهداف

الف- آشنایی با فناوری نانو و کاربردهای آن
ب - بیان مشکلات مدیریتی و زیرساختی توسعه فناوری های برتر و جلب همکاری مدیران و سیاست گذاران در جهت حل این مشکلات
ج- جلوگیری از روحیه بخشی نگری و ایجاد هماهنگی بین بخش ها و تبیین نقش هر بخش
د‌- چشاندن طعم پیشرفت به جامعه و ایجاد غرور ملی
البته باید در این راه، از ایجاد حساسیت های خارجی و بین المللی، به وجود آوردن انتظارات بی مورد و فعال کردن فرصت طلبان علمی نیز پرهیز کرد.

1-3 ) مخاطبین (گروه های هدف)

مخاطبین ترویج نانوفناوری، گروه های مختلف جامعه هستند که می توانند به نوعی در پیشبرد این فناوری نقش ایفا نمایند. از جمله می توان به این اقشار اشاره نمود:
الف – مسؤولین و سیاست گذاران کلان کشور
ب – مسؤولین، نمایندگان مجلس و مدیران اجرایی
ج – نهادی پشتیبان (مانند: بانک‌ها، گمرک، استاندارد و غیره)
د – دانشگاهیان (اساتید، دانشجویان) و محققان
ه – مدیران و متخصصین صنایع
ر – دانش آموزان و نوجوانان به عنوان نسل فردا
ی – عموم مردم به عنوان مصرف کننده نهایی و حامی

1-4) پیام های مورد نظر جهت هر گروه هدف

پیام‌های مورد نظر جهت انتقال به هر یک از گروه های هدف هفت گانه فوق عبارتند از:
1- مسؤولین و سیاست گذاران کلان کشور : آشنایی با نانوفناوری و در ک نقش آن در توسعه ملی و میزان تأثیر آن درآینده کشور در جهت حمایت همه جانبه و تسهیل تصمیم گیری دراین حوزه مورد نظر است.
2- مسؤولین ، نمایندگان مجلس و مدیران اجرایی : آشنایی با نانوفناوری و آشنایی با نحوه مدیریت این فناوری در بخش های مختلف همچنین درک اهمیت آن در توسعه ملی، در جهت مشارکت و جلب همکاری آنان در طرح های توسعه نانوفناوری دومین مورد است.
3 – نهادهای پشتیبان (مانند: بانک ها، گمرک، استاندارد و غیره) : آشنایی با نانوفناوری و درک اهمیت آن در توسعه ملی و آشنایی با تسهیلات، قوانین و زیر ساخت هایی که برای رشد و توسعه فناوری های برتر باید در نظر گرفت، در جهت فراهم نمودن بستر مناسب برای رشد و توسعه نانوفناوری است.
4 – دانشگاهیان اساتید، دانشجویان و محققان: آشنایی با نانوفناوری و درک تأثیراتی که این فناوری در آینده زندگی بشر دارد و آشنایی با اقدام ها و اهتمام مسؤولان در این زمینه به نحوی که اعتماد و خودباوری لازم در دانشگاهیان و محققان ایجاد شود. تعلیم و تعلم، فعالیت های تحقیقاتی و کلیه فعالیت های مرتبط با توسعه فناورری نانو در دانشگاه ها با نهایت جدیت و در راستای هدف تعیین شده از طرف ستاد و نیازهای کشور انجام گردد و در نظام ارزش گذاری و ارتقای اساتید در دانشگاه ها، فعالیت در زمینه فناوری نانو با اولویت بیشتری مورد تشویق قرار گیرد.
5 – مدیران و متخصصین صنایع : آشنایی با نانوفناوری و درک تأثیری که از بعد صنعتی این فناوری می تواند در ارتقای خواص مختلف و ارزش افزوده محصولات داشته باشد، در جهت افزایش سرمایه گذاری های صنعتی و تحقیقاتی در این زمینه توسط بخش های صنعتی خصوصی و دولتی و هم راستا شدن با اولویت های کلان کشورپنجمین مورد است.
6- دانش آموزان و نوجوانان به عنوان نسل فردا: آشنایی با نانو فناوری، درک تأثیرات آن در آینده جهان و ارتباط آن با رشته های مختلف دانشگاهی ، آشنایی با اقدام مسؤولین و محققین کشور در این زمینه و ایجاد سنخیت بین شرایط کشور و امکان توسعه نانوفناوری در جهت ایجاد انگیزه در نسل آینده برای توجه به این فناوری و خودباوری و امید به موفقیت کشور در آینده نزدیک از دیگر پیام های مورد نظر است.
7 - عموم مردم به عنوان مصرف کننده نهایی و حامی : آشنایی با نانوفناوری و تأثیراتی که این فناوری در افزایش رفاه و بالا بردن سطح زندگی فردی و اجتماعی، رفع معضلات اقتصادی و اجتماعی کشور دارد در جهت اصلاح فرهنگ مصرف و توسعه بازار محصولاتی که به کمک نانوفناوری به جامعه عرضه می شوند و آشنایی با تلاش های در فصول بعد، علاوه بر بیان مفاهیم فناوری، برخی ساختارهای مورد نیاز برای توسعه آن نیز معرفی شده تا نقش رسانه ها در توسعه فناوری در کشور مشخص تر شد. امید که هنرمندان و مروجان عزیز، با بذل هنر خویش در این راه، کشور را در رسیدن به حد اعلای پیشرفت و دستیابی به فناوری های high-tech به خصوص نانوفناوری یاری نمایند.

پدیده ای به نام طب هسته ای (پزشکی هسته ای)

پدیده ای به نام طب هسته ای (پزشکی هسته ای)
مقدمه:

یکی از روشهای تشخیصی و درمانی ارزشمند در طب، پزشکی هسته ای می باشد. که تبلور آن از ابتدا تا کنون تلفیقی از کشفیات مهم تاریخی بوده است. اولین جرقه در سال 1895 با کشف اشعه X و در 1934 با کشف مواد رادیواکتیو زده شد. اولین استفاده کلینیکی مواد رادیواکتیو، در سال 1937 جهت درمان لوسمی در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی بود. بعــــــد از آن در 1946 با استــــــفاده از این مواد توانستند در یک بیمار مبتلا به سرطان تیروئـــــید از پیشرفت این بیماری جلوگیری کنند. البته تا 1950 کاربرد کلینیکی مواد رادیواکتیو بطور شایع رواج نیافت و مسکوت ماند. طی سالهای بعد از آن متخصصین و فیزیکدانان به این واقعیت پی بردند که می توان از تجمع رادیو داروها در ارگان هدف تصاویری از آن تهیه نمود و یا به درمان بافت آسیب دیده کمک نمود. بطوریکه در اواسط دهه 60 مطالعات بسیاری در خصوص طراحی تجهیزات لازم آغاز گشت. در دهه 1970 توانستند با جاروب نمودن از ارگانهای دیگر بدن مانند کبد و طحال، تومورهای مغزی و مجاری گوارشی تصاویری را تهیه نمایند. و در دهه 1980 از رادیو داروها جهت تشخیص بیماری های قلبی استفاده نمودند و هم اکنون نیز با ضریب اطمینان بسیار بالایی از پزشکی هسته ای در درمان و تشخیص و پیگیری روند درمان بیماریها استفاده می گردد. طب هسته ای از جمله گرایش های تخصصی درشاخه های پزشکی است ودارای اهمیت و نقش قابل ملاحظه ای دربهبودی بیماران و مطمئن ترین روشها و سبکهای تشخیص اشعه ای برای تشخیص بیماریها و علاج آنها در عصر امروزی است.
این شاخه ازعلم که کاربرد آن در پزشکی از اهمیت بالایی برخوردار است دارای کارایی و توانائی های فوق العاده درتشخیص عضو مصدوم و کم کاری یا نقص و ضعف در انجام وظیفه توسط هر کدام از اعضای جسم انسان است که به واسطه تغییرات شیمیایی معین در عضو مورد بررسی قرار می گیرد. به وسیله این روش وسبک پزشکی می توان بیماری را درمراحل اولیه و قبل از وارد شدن به مراحل مزمن و بدخیم و لاعلاج بهبودی به موقع و زودهنگام با تشخیص و جلوگیری ازگسترش بیماری انجام داد. البته کاربرد طب هسته ای تنها به مرحله تشخیص محدود نمی گردد بلکه دارای نقش اساسی در بهبودی بعضی از بیماریها دارد بدین شکل که با تزریق یا اعطای مقداری از ماده مخصوص و متفاوت با اشعه ای که در تشخیص به کار می رود در مسیر و مراحل بهبودی بیمار کاربرد دارد. بدین صورت که این ماده در محلهای بیماری و مختل متمرکز گردیده با تمرکز اشعه به محل و ریشه کنی بیماری و عامل بیماری ومحدود و بسته نمودن بیمار (عارضه دیده) از توسعه وگسترش و رسوخ بیماری وحمله به دیگر اعضا و تسری به محلهای دیگر جسم بشر جلوگیری می نماید بدون اینکه اثر جانبی مضر و منفی بر قسمتهای دیگر جسم داشته باشد.
کاربرد و اهمیت طب هسته ای درموارد زیر قابل لحاظ است:1 ـ تشخیص سریع و رود هنگام بیماری؛
2 ـ تعیین مقدار نقض و اختلال در عضو بیمار؛
3 ـ سهولت انجام آزمایش و بررسی های لازم و عدم وجود هر گونه فشار و یا محدودیتها و شرایط خاص برای بیمار چه قبل یا درحین انجام آزمایش و یابعد از آزمایش و بررسی؛
4 ـ کم بودن مقدار اثر تشعشع بر بیمار درهنگام بررسی وآزمایش نسبت به انواع اشعه های دیگر؛
5 ـ دادن توانایی لازم به بررسی لحظه به لحظه و با ضریب دقت بالا در خصوص حالت بیمار؛
6 ـ گزارش دقیق درمقدار تأثیر کار مراقبتهای پزشکی ودروه های درمان بهبودی بیمار؛
7 ـ گزارش دقیق از نتایج عملهای جراحی در بعضی از بیماریها؛
دراین کار یک تیم از متخصصین پزشکی اتمی متشکل از پزشکان متخصص و درکنار آنها گروهی از متخصصین فیزیک و ماهر با درایتی تمام در خصوص کیفیت راه اندازی و دستمال و کار دستگاه های Gammacameya )گاماکامیرا(مخصوص، بر آزمایش و بررسی در کار پزشکی اتمی و به تبع آنها دستگاه های کامپیوتر وبرنامه های تحلیل وتفسیر آزمایش وگزارش کامل می پردازند.

آزمایش های طبی هسته ای:

از امتیازات بارز و برجسته آزمایشات طب هسته ای (اتمی) آن است که احتیاج به هیچ گونه مقدمات، زمینه ها و آمادگی های اولیه بیمار جهت اجرای آزمایش قبل از انجام کار همچون عدم خوردن غذا و یا دادن ماده وداروی لازم قبل وهنگام اجرای آزمایش ندارد.
دراین روش مواد متشعشه مخصوص ومواد هدایت کننده خاص، بسته بر نوع آزمایش مربوط به بیماری، موجود می باشد. این ماده در آزمایشگاه خاص بوسیله یک کادر فنی و متخصص جهت تهیه مقدار لازم مربوط به آن آزمایش و بیماری تهیه می گردد و ماده مذکور از راه تزریق وریدی و یا دهان و یا بسته به نوع آزمایش به بیمار داده می شود و بعد از مدتی ماده مذکور درعنصر مورد بررسی و آزمایش متمرکز و قرار می گیرد پس از آن بیمار به شکل خاصی، بستگی به نوع آزمایش، کیفیت و شکل قرار گرفتن بیمار برای انجام آزمایش را در زیر دستگاه گاماکامیرا مشخص می کند تا بدین شکل اشعه، صادره از جسم بیمار را دریافت نماید. این اشعه با چشم غیر مسلح و مجرد قابل رویت نسبت - و بدین ترتیب دستگاه گاماکامیرا اشعه مذکور را بر یک پیام الکتریکی معین تبدیل نموده آنرا به دستگاه کامپیوتر متصل وتابع به دوربین منتقل نموده که به نوبه خود این پیام و ارتباط را بصورت معلومات و محاسبات خاص تفسیر نموده و بر صفحه مانیتور کامپیوتر نمایش می دهد و بعد از تحلیل و تفسیر و تشخیص نتایج حاصله بواسطه یکسری برنامه علمی و پیشرفته و تخصصی نتیجه را بر روی یکسری فیلم یا برگه های خاص ثبت نموده تحویل بیماری می دهند. امروز طب هسته ای (اتمی) توانسته است نقش مهمی را در تشخیص بیماریهایی همچون دستگاه عصبی، گردش خون، غدد لنفاوی، دستگاه تنفس و گوارش وهضم ونیز بیماریهای استخوان واقسام سرطان وغیره ایفا نماید.
طب هسته ای امروزه نقشی مهم و رشدی پیشرفته در بهبود بیماریهاطی نموده است. با دادن مقداری مناسب از ماده متشعشه که دارای قدرت در قرار گرفتن در محل عارض دیده و مصاب به بیماری بدون عوارض جانبی منفی و یا تأثیر بر محل های دیگر و سالم جسم می توان بیمار را علاج نمود.

ضریب دقت و صحت آزمایشهای طب هسته ای:

وقتی که اتم واتمی به گوش برسد بلافاصله اولیه تعریف و معنایی که ازاین کلمه و لفظ به ذهن بیشتر واکثریت قریب بر اتفاق مردم خطور می کند همان معنای سند اول ماده اتمی است که در موارد نظامی و تسلیحاتی کاربرد دارد که از اثر منفی بالایی برجسم انسان برخوردار است. مواد متشعشه اتمی (هسته ای) که درطب هسته ای (اتمی) استفاده می شوند موادی خاص بوده که برای استعمال واستفاده برروی انسان جهت تشخیص وعلاج در امور پزشکی، هیچ گونه اثر منفی تا به حال از آنها گزارش نگردیده است. این مواد توسط شرکتهای معروفی در سطح جهانی جهت اینگونه مصارف خاص تهیه می گردند. سپس در آزمایشگاه ها و لابراتورهای خاص در خصوص سلامت و صحت وعادی آنها از هر گونه عوارض میکروبی وهسته ای مضمر برانسان مورد بررسی وآزمایش قرار می گیرند. سپس آنها را در ظروف خاص سربی جهت سهولت حمل و جا به جایی بدون هیچ گونه خطری گذاشته می شوند. ماده متشعشه که به بیمار داده می شودبرای مدت کوتاهی درجسم بیماور می ماند و قسمت اعظم آن از طریق ادرار و تعرق تنفس و موارد دیگر از جسد وجسم انسان خارج و دفع می گردند اضافه براینکه خود آن ماده، خود به خود از لحاظ فیزیکی برحسب نصف عمر هر ماده تحلیل می رود.
این مواد مشعشعه هیچ گونه تأثیر منفی بر همراهان بیمار و شاغلین در طب هسته ای ندارد و از هیچ نیازی به جدا نمودن بیمار در محل خاص از دیگران جهت آزمایش و یا پوشیدن لباسهای مخصوص سربی برای شاغلین دراین قسم همچون (اشعهx) ایکس که تشعشع مضر رادیو اکتیو داشته باشد ندارد. و این مواد حتی به نوزادان تازه متولد شده نیز قابل تجویز می باشد بطوری که هیچ ضرری متوجه آنها نیست.
برای زنان باردار (آبستن)نیز هیچ تأثیر منفی وضرری برجنین آنها ندارد و لیکن تجویز آنها مگر در هنگام ضرورت حاد توصیه نمی شود. در حالات مشابه به مقدار خیلی کم و کمتر از میانگین معمول قابل تجویز می باشد. برای زنان شیرده نیز انجام آزمایشات و بررسی های پزشکی بدون هیچ ضرری بر طفل شیرخوار انجام می شود و فقط توصیه می شود که پس از انجام آزمایش به مدت یک تا دو روز شیردادن قطع گردد. وبعد از آن می توان شیردادن را به شکل عادی و طبیعی ادامه داد.
بصورت عام می توان که زمان کشف طی هسته ای (اتمی) به اوائل قرن بیستم می رسد که تا به حال هیچ گونه خطر و اثری منفی از آزمایشات و بررسی های پزشکی از این مواد مخصوص در طب هسته ای که بر صحت و سلامت انسان اثر گذاشته باشد و یا حالات وعواقب و عوارض سرطانی وتأثیرات منفی بر جنین داشته باشد گزارش نشده است.حتی گزارشی از بیماران سرطانی مداوا شده توسط این ماده مخصوص مبنی بر شدت مضاعف شد حالات سرطانی ارائه نگردیده است.

تــــاریخ حوادث و وقایع مــهم در پزشکی هسته ای :

1896 هنری بکرل اشعه مرموز ساطع شده از اورانیوم را کشف کرد.
1897 ماری کوری این تابش مرموز را رادیواکتیوینه نامید.
1901 هنــری الکـــسا نــــدر دانــــلوس و یوگن بلاچ ، رادیوم را در تماس با ناراحتی پوستی توبرکولوز قرار دارند.
1903 الکــــــســــاندر گراهـــامبل, جاگذاری منبع اورانیوم در داخل و یا نزدیکی بافت تومورال را پیشنهاد نمود.
1913 فــــردریــــک پــــروســچر ، برای اولین بار مطالعه درمان بیماریهای مختلف را بتوسط تزریق ور یدی اروانیوم را بنیان نهاد.
1924 جرج. د. هوسی ، کریستینسن و لومـــــهولت ، اولین ردیـــــــاب رادیواکتیو ( 210 Pb و 210 Bi ) را بر روی حیـــــــوانات آزمایش نمودند.
1932 ارنست لارنس و استانلی لیوینگستون ، اولین ذره را بدون استفاده از ’’‌ ولـــتاژ های بالا و بواسطه شتاب دادن یونهای نوری تولید نمودند. این اولین گام در تولید مقادیر قابل توجه رادیو نوکلو ئیدها بود.
1936 جان لارنس و برادرش ارنست ، اولین کاربرد کلینیکی رادیو نوکلو ئیدهای خاص را در درمان لوسمی بوسیله P 32 بنیان نهادند.
1937 جان لیـــــوینگود ، فــرد فیــــــــر برادر و گلیــــن سیبورگ ، 59 Fe را کشف کردند.
1939 امیلیو سگره و گلین سیبورگ تکنسیم m 99 را کشف کردند.
1940 راکفلر ،اولین سیکلو ترون را جهت تولید رادیوایزوتوپهای ویژه پزشکی در دانشگاه واشنگتن اختصاص داد.
1946 ســـا مو ئل. ام. ســـــدلــــــین لئــــو. د. مارینــــلی و الیــــــنور اشری , یک بیمار با سرطان تیروئید را با 131 I درمان کردند.
1947 بنـــدیکت کا سن ید رادیواکتـــــــیو را جهت تشخیـــــــص و افتراق ندولــــــــهای بد خیم و خوش خیم تیروئید بکار برد. 1948 ¬ آزمایشگاه ابت, استــفاده از رادیو ایزوتوپها را آغاز نمود.
1950 ک. آر. کــــریســــپل و جان. پ. استراسلی، سرم آلبومین انسانی نشاندار شده با I 131 را برای تصویربرداری از حجم خون داخل قلب استفاده نمودند.
1951 سازمان دارو و غذای آمریکا ( FDA ), استفاده از I 131 را برای بیماریهای تیروئید تأیید نمود. این اولین مصوبه FDA در رابطه با رادیو ایزوتوپها بود.
1953 گوردن براونل و اچ. اچ. سویت یک آشکارساز پوزیــــــــترونی را، بر اساس شناسایی فوتـــــونهای حاصل از پدیده فنا و شمارش برخــــوردهای حاصل ساخت.
1954 دیوید کول ، یک سیستم ثبت فوتونی را برای اسکنــینگ ( Scanning ) رادیو نــــــوکلئیــــــدها اختراع کرد. این پیشرفت پزشکی هســـــته ای را هم جهت با رادیــــــولوژی به سمت پیشرفتهای بیـــــشتر هدایت نمود
1955 رکس هاف, میزان خروجی قلب را با استفاده از سرم آلبومین انسانی نشاندار شده با 131 I اندازه گیری نمود.
1958 هــال انگـــــر ( Hal Anger) دوربین سنتیلا سیون را اختراع نمود. بــــدینوسیله تصویربرداری دینامیک نیز در پزشکی هسته ای مقدور گشت.
1960 لوئیس. ج. استا نگ و پاؤل( جیم) ریچارد ، دز آگهی فروش ژنراتـــــــــورهای تکنسیـــم m 99 و دیگر ژنراتـــــورهای ساخت آزمــــــــایشگاه ملــی بروک هــــــون (Brookhaven) را تبلیغ کردند.
تا آن زمان هنوز تکسنیم m 99 در پزشکی هسته ای استفاده نشده بود.
1962 دیوید کول ،بازسازی تصاویر توموگرافی نشر شده را ابداع نمود. بعدها این روش SPECT, PET نام گرفت.
تعمیم این روش در رادیولوژی همان CT می باشد.
1963 تنظیم ملزومات و قوانین داروهای جدید مرتبط با رادیو داروها را به سازمان انرژی اتمی واگذار نمود.
1969 سی. ال. ادوارد( ( C.L. Edwards تجمع 67 Ga را در سرطان گزارش نمود.
1970 اعلام نمود که با توجه به کاربردهای این مواد، رادیـــــــو داروها را می توان با عنوان دارو خطاب نمود. ایـــــن روند تا ژوئن 1977 کاملاً جا افتاد.
1971 ¬ سازمان پــــزشکی آمریکا , پزشـــکی هسته ای را به عنوان یکی از شاخه های طب به رسمیت شناخت.
1973 اچ ویلــــــــیـــــــــام استـــــراس ، تست ورزش را بعنوان اسکن میوکارد معرفی نمود.
1976 جان کـــیز اولین دوربین SPECT را طراحی نمود و رونالد جازاک اولین هــد ( Head ) دوربین SPECT را طراحی کرد.
1978 دیـــــــویـــد گــــــــلدنبـــــــرگ, از آنتی بادی های نشاندار شده با مواد رادیواکتیو جهت تصویربرداری از تومورها استفاده نمود.
1981 جــی. پـــــی. مـــچ ( J.P. Mach) آنتی بادی های تک کلنی نشاندار شده با مواد رادیواکتیو را جهت تصـــــویربرداری از تومورها بکار برد.
1982 استیو لارسون و جف کاراسکو ایلو ،بیـــــــماران سرطانی ملانـــــومای بد خــــیم را با آنتـــــی بادی های تک کلنی نشاندار شده با I131 تحت درمان قرار داد.
1989 اولـــــین رادیو داروی پـوزیترون را جهت تصویربرداری پرفیوزن ملانوما تصویب نمود.
1992 اولین رادیو داروی آنتـــی بادی تک کلنی را جهت تصــــویربـــرداری از تومور تصویب کرد.

نتیجه گیری

طب هسته ای شاخه ای از پزشکی نوین با تکنولوژی مدرن جدید و پیشرفته پزشکی روز نقش مهمی را در تشخیص و علاج و بهبودی بیماریهای مختلف ونیز تنظیم برنامه مداوا و معالجه بیمار داشته وایفا می کند واز امتیازات کار در این شاخه از پزشکی سهولت در بررسی و آزمایشات پزشکی بر بیمار وعدم وجود اثرات منفی و عوارض جانبی و یا عود یا مضاعف شدن وشدت و یا خسارت حجمی بر بیمار است.