جنگ سلولهای سرطانی با نانوذرات جاذب امواج رادیویی

جنگ سلولهای سرطانی با نانوذرات جاذب امواج رادیویی
محققان امریکایی موفق به ساخت نانوذرات کبالتی شده‌اند که روکش آن از گرافیت است. این ذرات می‌توانند امواج رادیویی با طول موج کوتاه را جذب کرده، به‌صورت گرما در محل تومور پس ‌‌‌‌دهند. این عمل باعث مرگ سلول‌‌‌‌های سرطانی می‌‌‌‌شود.
قطع قسمت با امواج رادیویی(RF ablation) نوعی درمان برای سرطان است. در این روش سوزنی نازک از طریق پوست به داخل تومور راه یافته، باعث تخریب گرمایی در منطقه می‌‌‌‌شود. از مشکلات این روش تخریب یک محدودة سه تا پنج سانتی‌‌‌‌متری است که جراح انجام می‌دهد؛ این محدوده هم شامل تومور و هم شامل بافت معمولی می‌‌‌‌شود. همچنین در 5 تا 40 درصد از موارد، تخریب کامل تومور صورت نمی‌‌‌‌گیرد و در 10 درصد از بیماران عوارض بعدی ایجاد می‌‌‌‌شود. این روش فقط در مورد سرطان کبد، کلیه، سینه، ریه و استخوان کاربرد دارد.
دانشمندان با کمک فناوری‌نانو توانستند این روش را بهبود بخشند؛ روش جدید با این ایده شکل گرفت که اگر بتوان ماده‌‌‌‌ای را که در میدان امواج رادیویی، از خود گرما آزاد می‌‌‌‌کند، به سایت اختصاصی تومور رساند، درمان با امواج رادیویی(RF) در هر جای بدن عملی است. تحقیقات در این زمینه بیشتر با نانوطلا صورت گرفته؛ زیرا به‌راحتی ساخته شده، به سلول‌‌‌‌های سرطانی متصل می‌‌‌‌شود، همچنین نانولوله‌‌‌‌های کربنی هم نتایج خوبی در استفاده در این روش به دست داده‌‌‌‌اند.
هم‌اکنون دانشمندان نانوذرةی جدیدی ساخته‌‌‌‌اند که جاذب عالی امواج رادیویی است و گرمای کافی برای تخریب سلول‌‌‌‌های سرطانی ایجاد می‌‌‌‌کند و نسبتاً سایتوتوکسیسیته‌‌‌‌ کمی دارد و توان جذب امواج RF را با طول موج کوتاه دارد. این امواج می‌توانند به‌خوبی در بدن جانداران نفوذ کنند.
دانشمندان در این روش جدید از نانوذرات فرومغناطیسی کبالت با پوشش گرافیتی استفاده کردند. این ذرات باعث القاء مرگ در 98 درصد از سلول‌‌‌‌های سرطانی در محل می‌‌‌‌شود. محققان دریافتند که این افزایش کلی دما نیست که باعث مرگ سلولی می‌‌‌‌شود؛ بلکه تخریب داخلی ایجادشده به‌وسیلة نانوذرات مسئول این مرگ است. این نانوذرات می‌‌‌‌توانند از غشاهای سلولی مختلف عبور کرده، به هسته برسند و پس از ورود ذرات به سیتوپلاسم، به دور غشای هسته گرد هم می‌‌‌‌آیند و تعداد کمی وارد هسته می‌‌‌‌شوند.
به عقیدة پژوهشگران گرمایی که نانوذرات تولید می‌کنند، سلول را به‌سمت مرگ برنامه‌‌‌‌ریزی‌شده‌ای پیش می‌‌‌‌برد، سپس تجزیة سلولی رخ می‌‌‌‌دهد. در واقع تفکیک اجزای سلولی از قبیل هسته، غشای هسته، DNA اثر اصلی گرمای القاشده از سوی نانوذرات کبالت است.
منبع:نانو تکنولوژی

نازک‌ترین بالون دنیا

نازک‌ترین بالون دنیا
محققان دانشگاه کرنل با استفاده از یک تودة گرافیتی، یک تکه از نوار اسکات(Scotch tape) و یک ویفر سیلیکونی؛ غشای بالون‌شکلی ساخته‌اند که تنها یک اتم ضخامت دارد. استحکام این بالون به حدی است که می‌تواند گازهایی با فشار چند اتمسفر را در خود نگهداری کند و در این فشار، حتی از خروج اتم‌های فرار هلیوم نیز جلوگیری می‌کند. این غشا می‌تواند به عرضة تعداد زیادی از فناوری‌های جدید بینجامد که از این میان می‌توان از روش‌های جدید تصویربرداری از مواد زیستی در محلول‌ها و روش‌هایی برای مطالعة حرکت اتم‌ها یا یون‌ها در درون حفره‌های میکروسکوپی نام برد.
گرافن که از آن به‌عنوان مقاوم‌ترین مادة دنیا یاد می‌شود، یک شبه‌فلز با ضخامت تنها یک اتم است. به عبارت دیگر، این ماده الکتریسیته را هدایت می‌کند؛ اما رسانایی آن با تغییر در محیط الکتروستاتیک اطرافش تغییر می‌کند.
سال‌ها قبل دانشمندان دریافتند که برای دستیابی به صفحات گرافنی تنها کافی است که نوار اسکات را بر روی گرافیت خالص چسباند، سپس نوار را جدا کرده، آن را بر روی یک ویفر دی‌اکسیدسیلیکونی چسباند. در نهایت با جدا کردن نوار از روی ویفر، یک پوشش گرافیتی با ضخامت یک تا حدود 12 لایه بر روی ویفر باقی می‌ماند و به این ترتیب دانشمندان قادر به شناسایی نواحی‌ای می‌شوند که دارای گرافنی با ضخامت یک تک‌لایه است.
کشف اخیر که در مرکز تحقیقات موادِ دانشگاه کرنل رخ داده را یکی از دانشجویان اسبق کارشناسی‌ارشد این دانشگاه به‌‌‌نام اسکات بانچ(که هم‌اکنون یک استادیار در دانشگاه کلورادو است) و یک پروفسور فیزیک کرنل به ‌نام پاول مک‌اون و همکارانشان از کرنل انجام داده‌اند.
این گروه برای آزمایش الاستیسیتة گرافن، آن را بر روی یک ویفر حفره‌دار نشاندند و به‌وسیلة این حفره‌ها، گازی را در درون میکرومحفظه‌های دارای پوشش گرافنی، محبوس کردند. سپس اختلاف ‌فشاری بین گاز بیرون و گاز درون میکرومحفظه ایجاد کردند و به کمک یک AFM دریافتند که این غشاهای گرافنی قادرند تا اختلاف‌ فشاری در حد چند اتمسفر را بدون پاره ‌شدن تحمل کنند. آنها مشاهده کردند که هلیوم(که دارای کوچک‌ترین مولکول‌های گاز است) حتی در فشارهای چند اتمسفری، قادر به نفوذ از میان جدارة گرافنی نیست؛ این در حالی است که اتم هلیوم حتی از حفره‌ای با مقیاس اتم نیز به‌راحتی فرار خواهد کرد.
مک‌اون اظهار داشت که چنین غشایی می‌تواند کاربردهای بسیار متنوعی داشته باشد؛ به‌عنوان مثال دانشمندان قادرند تا به کمک آن از مواد زیستی درون محلول تصویربرداری کنند(با استفاده از یک جدارة نامرئی و بدون تماس میکروسکوپ با محیط تَر)، همچنین دانشمندان می‌توانند حفره‌های اتم‌مقیاسی در این غشا ایجاد کرده و با استفاده از این سیستم، نحوة عبور اتم‌ها یا یون‌های منفرد از خلال شکاف را مطالعه کنند.
مک‌اون گفت:«می‌توان از این ابزار به‌عنوان معادلِ مصنوعی یک کانال یونی در زیست‌شناسی بهره گرفت». وی با اشاره به اینکه می‌توان خصوصیات یک اتم را با مشاهدة اثرات آن بر روی این غشا تعیین کرد، افزود:«شما از یک سیستم ماکروسکوپی برای تعیین خصوصیات یک تک‌اتم بهره می‌گیرید و به این شکل، فرصت‌های جدیدی برای ساخت تمام انواع حسگرهای تک‌اتمی ایجاد می‌شود.»
نتایج این تحقیق در نشریة Nano Letters به چاپ رسیده‌است.
منبع: نانو تکنولوژی

خسارات میلیاردی لاروهایBranacle

خسارات میلیاردی لاروهایBranacle
چسبیدن ارگانیسم‌های دریایی‌ مثلbranacle، به کشتی‌ها هر ساله منجر به بروز خسارات میلیاردی در صنایع دریایی می‌شود. به همین منظور تحقیقاتی در دانشگاه Twente در زمینة تکثیر و رشد branacleها صورت گرفت تا چگونگی چسبیدن آنها به سطح کشتی‌ها کشف شود؟ این ارگانیسم دریایی، سیمانی پروتئینی می‌سازد و اثری که پس از چسبیدن به کشتی بر جای می‌گذارد، «جای پا» نامیده می‌شود.
این جای پا حاوی مواد شیمیایی‌ای است که لاروهای دیگر را به‌سمت خودش جذب می‌کند. بنابراین اولین قدم برای تجمع و کلون شدن لاروها، همین جای پاست. به کمک فناوری‌نانو برای اولین بار محققان دانشگاه Twente توانستند جای پاها را اندازه‌گیری نمایند که در حدود 30 میکرون بود. این کار با کمک میکروسکوپ اتمی(AFM) انجام گرفت.
این میکروسکوپ، پس از جستجوی یک سطح، اختلاف‌های موجود در ارتفاع نقاط مختلف سطح را با استفاده از یک سوزن ظریف اندازه‌گیری می‌کند. این روش جدید نه تنها قادر به مشاهده اجسام بسیار کوچک است، بلکه در محیط‌های طبیعی مثل زیرِ دریاها نیز کارایی دارند.
Branacle جانداران دو جنسی با ابعادی در حدود سانتی‌متر هستند، این جانداران دارای اسکلتی از جنس کربنات کلسیمی هستند که مثل یک سپر عمل می‌کند. این اسکلت بیرونی مانند صدف دو‌کفه‌ای‌ها در هم قلاب شده، موجب اصطکاک زیادی بین آب و کشتی می‌شود، این امر مصرف سوخت را بالا می‌برد. حذف این پوسته‌های کربنات کلسیمی از بدنه کشتی‌ها بسیار پرهزینه و مشکل است.
منبع: نانو تکنولوژی

نانو‌تکنولوژی به زبان ساده

نانو‌تکنولوژی به زبان ساده

معرفی

نانو تکنولوژی را می‌توان بسط قوانین دانش‌های موجود در ابعاد نانو یا حتی طرح‌ریزی جدید دانش‌های موجود با رویکردی نوین دانست.

مفاهیم بنیادین

یک نانومتر (nm) یک میلیاردیم متر است . برای آن‌که تصوری از این ابعاد داشته‌ باشید می‌توانید فرض کنید 10 اتم هیدروژن پشت سر هم به خط شده‌اند (لطفا نگران امکان فیزیکی‌ی این فرض نباشید! ). طول این قطار هیدروژنی،1 نانومتر است. اگر تصوری از اندازه‌ی اتم هیدروژن ندارید به این مثال توجه کنید:نسبت نانومتر به متر تقریبا مثل نسبت شعاع یک تیله‌ی کوچک است به شعاع کره‌ی زمین.

معرفی رشته

نانو‌تکنولوژی زمینه‌ای از دانش کاربردی است که مباحث متنوعی را پوشش می‌دهد وهدف اصلی آن کنترل ماده در ابعاد 1 تا 100 نانومتر ونیز ساخت ومهندسی وسیله‌هایی در این ابعاد است.
این دانش یک دانش میان‌رشته‌ای است که از رشته‌های متعدد و متنوعی مشتق شده ‌است، رشته‌هایی نظیر فیزیک، مهندسی مواد، پلیمر، مهندسی برق، و مهندسی مکانیک. البته به فراخور نیاز از رشته‌های دیگر نیز بهره می‌گیرد.
نانو تکنولوژی را می‌توان بسط قوانین دانش‌های موجود در ابعاد نانو یا حتا طرح‌ریزی جدید دانش‌های موجود با روی‌کردی نوین دانست. دو روی‌کرد اصلی در نانو تکنولوژی مورد توجه قرار می‌گیرد: روی‌کرد از بالا به پایین و روی‌کرد از پایین به بالا که در اولی یک نانوشیء از موجودات بزرگ‌تری بدون کنترل بر سطح اتمی تشکیل می‌شود در حالی‌که در دومی مواد از ترکیبات مولکولی که خود را به طور شیمیایی خود‌آرایی می‌کنند تشکیل می‌شود.
پیشرفت علم و تکنولوژی وتولید ابزارهای دقیق سنجشی نظیر میکروسکپ نیروی اتمی(AFM) و میکروسکپ تونل‌زنی‌ی پیمایشی(STM) به پژوهش ونو‌آوری در عرصه‌ی نانو شتاب قابل ملاحظه‌ای بخشید.

کمی تاریخچه...

نخستین جرقه‌ی شکل‌گیری‌ی نانوتکنولوژی به عنوان یک دانش فراگیر در نشست انجمن فیزیک امریکا در29 دسامبر1959 زده شد. جایی‌که ریچارد فاینمن«Richard Feynman» (اطلاعات خود را مرور کنید! نام اورا قبلا جایی ندیده‌اید؟) سخن‌رانی مشهور خود را باعنوان« در آن پایین فضای زیادی هست!» ایراد کرد. او در این سخن‌رانی فر‌آیندی را پیش‌بینی و توصیف کرد که با پی‌گیری‌ی آن انسان قادر به دست‌کاری‌ی اتم‌ها و مولکول‌های منفرد است.
بااین‌وجود واژه‌ی نانوتکنولوژی «Nano technology» نخستین‌ بار توسط نوریو تانی‌گو‌چی «Norio Taniguchi» در سال 1974 میلادی به‌ کار برده شد. او نانوتکنولوژی را چنین توصیف می‌کند: نانوتکنولوژی به‌طور عمده شامل فرآیند تفکیک، تقویت، وتغییر شکل مواد به صورت تک‌اتم یا تک‌مولکول است.....
شش سال بعد یعنی در سال 1980 میلادی اریک دریکسلر«Eric Drexler» ایده‌ی زیر‌بنایی این تعریف را مورد کاوش قرار داد. او اهمیت فناوری پدیده‌های در ابعاد نانو را توسعه داد و در همین راستا کتاب «موتور آفرینش» را به رشته‌ی تحریر در‌آورد.
فناوری و دانش نانو در اوایل دهه‌ی 80 میلادی با تولد دانش خوشه‌ای«cluster science» (شاخه‌ای از فیزیک که به ذرات کوچک چند اتمی می‌پردازد.) واختراع میکروسکوپ تونل‌زنی‌ی پیمایشی (STM) با توانی بیش از پیش وارد مرحله‌ی جدیدی از حیات خود شد....

دورنمایی از ماده

بسیاری از ویژگی‌های فیزیکی‌ی ماده تحت تأثیر اندازه‌ی سیستم است. یعنی بسیاری از این ویژگی‌ها با کوچک شدن اندازه‌ی سیستم تغییر می‌کند.
مکانیک آماری ونیز کوانتم مکانیک این تغییرات را پیش‌بینی و توصیف می‌کنند.
اثرهای کوانتمی با گذار از ابعاد متر به میکرومتر مشاهده نمی‌شوند. اما وقتی به ابعاد نانومتر برسیم قوانین حاکم بر رفتار سیستم کما‌بیش کوانتمی خواهد‌بود.
به‌علاوه شمار زیادی از ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی، الکتریکی، نوری و...در مقایسه با همین ویژگی‌ها در اندازه‌های ماکروسکپی(درشت مقیاس) تغییر خواهد کرد. ضمن آن‌که در ابعاد نانو ویژگی‌های خاص ذرات، دریچه‌ای به سوی تعامل با زیست‌مواد (biomaterial) می‌گشاید.
همان‌طور که در بالا اشاره شد مواد در ابعاد نانو نسبت به ابعاد ماکروسکپی ویژگی‌های متفاوتی از خود به نمایش می‌گذارند. به عنوان نمونه:
ماده‌ی کدر شفاف می‌شود(مس).
ماده‌ی ساکن متحرک می‌شود(پلاتینیم).
جامد در دمای اتاق به مایع تبدیل می‌شود(طلا).
نارسانا ،رسانا می‌شود(سیلیکون). و...
بسیاری از ویژگی‌های جذاب و فریبنده‌ی نانو تکنولوژی از همین پدیده‌های رویه‌ای وکوانتمی منحصر به فردی ناشی می‌شود که مواد در ابعاد نانو از خود به نمایش می‌گذارند.

نانو در پزشکی، شیمی و انرژی

- مواد نانو متخلخل نمونه‌ای از موادی هستند که در‌حالی‌که از ملکول‌های کوچک دارو ونگه‌داری می‌کنند، آن‌های را به محل موردنظر که از پیش تعیین شده، انتقال می‌دهند ... - روش‌های کاتالیز و فیلتراسیون (تصفیه) شیمیایی دو مثال برجسته از زمینه هایی هستند که نانوتکنولوژی همواره در آن‌های موثر بوده است ... - نانوتکنولوژی بازده تبدیل انرژی را به کمک استفاده از نانوساختارهایی با پیوستاری از شکاف‌های انرژی، افزایش می‌دهد.

کاربردهای نانو در پزشکی

در پزشکی و زیست‌شناسی، ویژگی‌های منحصر به فرد نانومواد به منظورهای مختلفی به کار گرفته می‌شوند. واژه‌هایی نظیر نانوتکنولوژی زیست‌داروها،‌ بیونانوتکنولوژی و نانوپزشکی برای توصیف این دانش تلفیقی به‌کار می‌روند.
کارآیی ساختارها و مولکول‌های زیستی هنگامی که نانومواد به آن‌ها اضافه می‌شوند،‌افزایش می‌یابد. مقیاس اندازه‌ی نانومواد در حدود مقیاس ساختارها و مولکول‌های زیستی است. بنابراین نانو مواد می‌توانند برای کاربردها و تحقیقات زیست‌پزشکی هم در محیط‌های طبیعی و هم در محیط‌های مصنوعی به‌کار گرفته شوند.
ترکیب در زمینه‌ی نانومواد و زیست‌شناسی به ایجاد و توسعه‌ی ابزارهای تشخیصی، عامل‌های هم‌سنجی ابزارهای تحلیل، کاربردهای درمان فیزیکی و حامل‌های تحویل دارو و ... منجر شده است..

تحویل دارو

کل مصرف دارو و نیز عوارض جانبی آن به‌وسیله‌ی جای‌گزینی مناسب حامل فعال دارو صرفا در موضع درد و محل تمرکز بیماری به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. این دسترسی انتخابی به محل مورد نظر، هزینه‌های مادی و نیز رنج‌های انسانی بسیاری را کاهش می‌دهد. مواد نانو متخلخل نمونه‌ای از موادی هستند که در‌حالی‌که از ملکول‌های کوچک دارو نگه‌داری می‌کنند، آن‌ها را به محل موردنظر که از پیش تعیین شده، انتقال می‌دهند.
روش دیگری برای کاهش مصرف دارو به‌کارگیری سیستم‌های الکترومکانیکی کوچک است.هدف از بکارگیری این سیستم‌ها، آزاد کردن فعال داروهاست. مثلا از این روش برای درمان سرطان به‌وسیله‌ی نانوذرات آهن یا پوسته‌های طلا استفاده‌می‌شود.

مهندسی بافت

نانوتکنولوژی می‌تواند به بازتولید و نیز بازسازی بافت‌های تخریب ‌شده و معیوب کمک کند. این کار توسط «مهندسی بافت» انجام می‌شود. مهندسی بافت به زودی جای‌گزین درمان‌های متعارف امروزی نظیر پیوند عضو، القاء مصنوعی و .. می‌شود.
بخشی از عملیات مهندسی بافت استفاده از نانومواد برای تکثیر سلول‌های برانگیخته به روش مصنوعی است.
باید توجه کرد که راه‌بردها و دستاوردهای مهندیسی بافت،‌ باید در چارچوب موازین اخلاقی قرار داده شود. به همین منظور بحث‌های گسترده‌ای در سطح بین‌المللی مطرح است و به تدریج قوانین متعددی در این زمینه به تصویب می‌رسد.

کاربردهای نانو در شیمی

روش‌های کاتالیز و فیلتراسیون (تصفیه) شیمیایی دو مثال برجسته از زمینه هایی هستند که نانوتکنولوژی همواره در آن‌های موثر بوده است.
همان‌طور که می‌دانیم ترکیب مواد مختلف،‌فر‌اورده‌های جدیدی با ویژگی‌های متفاوت شیمیایی ( و اگر بتوانیم فرآیند واکنش را به نوعی کنترل کنیم موادی با ویژگی‌های متفاوت و مناسب )‌تولید می‌کند.
بنابراین به این معنا شیمی در حقیقت با دانش نانو ارتباطی نزدیک دارد.
به طور مختصر، شیمی نانومواد جدیدی تولید می‌کند. به یک معنی همه‌ی ترکیبات شیمیایی می‌توانند توسط نانوتکنولوژی توضیح داده شوند.

کاتالیز

سودمندی استفاده از نانومواد به عنوان کاتالیزگرهای شیمیایی به‌دلیل نسبت بزرگ سطح به حجم این مواد است. نانوذرات می‌توانند در کاتالیز در سلول‌های سوختی، مبدل‌های کاتالیک و حتی ابزارهای کاتالیز نوری به‌کار گرفته شوند.

فیلتراسیون (تصفیه)

نانوشیمی در فرآیند تصفیه فاضلاب‌ها، تصفیه‌ی هوا، در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی و ... نقش مهمی بازی می‌کند.
روش‌های مکانیکی و شیمیایی می‌توانند برای تکنیک‌های تصفیه مورد استفاده قرار گیرند. یکی از این مراحل تصفیه استفاده از غشاهایی با سوراخ‌هایی به اندازه‌ی مناسب است، به‌وسیله‌ی این روش مایع در میان غشا فشرده می‌شود. غشاهای نانومتخلخل برای تصفیه‌ی مکانیکی می‌توانند از نانولوله‌ها تشکیل شوند و منافذی بسیار کوچک،‌ حتی کوچک‌تر از 10 نانومتر داشته باشند.
اساسا نانو تصفیه برای تفکیک یون‌ها و جداسازی سیالات به‌کار گرفته می‌شود.
نانوذرات مغناطیسی روشی کارآمد و موثر برای زدودن آلاینده‌های فلزهای سنگین از فاضلاب‌ها به کمک استفاده از شگرد جداسازی مغناطیسی است.
استفاده از ذرات نانومغناطیس، بازده جذب آلاینده‌ها را افزایش می‌دهد و نسبت به روش‌های سنتی تصفیه، ارزان‌تر است.

کاربردهای نانو در انرژی

پیشرفته‌ترین طرح‌های نانوتکنولوژی که به نوعی به انرژی مربوط‌اند عبارت‌اند از:
ذخیره‌سازیف تبدیل، تولید بهینه بوسیله‌ی کاهش آهنگ فرآیندها و مواد، صرفه‌جویی انرژی (به عنوان مثال به وسیله‌ی عایق‌سازی گرمایی بهتر) و منابع انرژی تجدید‌پذیر پیشرفته.

کاهش مصرف انرژی

روشی عملی برای کاهش مصرف انرژی،‌عایق‌بندی بهتر سیستم‌هاست.
این کار با استفاده از سیستم‌های کارآمدتر سوخت و روشنایی، استفاده از مواد سبک‌تر با استحکام بیشتر در صنعت حمل و نقل و ... قابل حصول است.
لامپ‌های متداول امروزی صرفا حدود 5 درصد انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می‌کنند. دستاوردهای نانوتکنولوژی نظیر دیودهای گسیل نوری (LED) به کاهش شدید مصرف انرژی در وسایل روشنایی ‌زا می‌انجامد.

افزایش کارآیی تولید انرژی

بهترین سلول‌های خورشیدی امروزی لایه‌هایی از چندین نیمه‌رسانای مختلف است که روی هم قرار دارند و به این ترتیب نور با انرژی‌های مختلف (بسامدهای مختلف) را جذب می‌کنند.
این سلول‌ها ، صرفا از 40 درصد انرژی خورشیدی استفاده می‌کنند.
نانوتکنولوژی بازده تبدیل انرژی را به کمک استفاده از نانوساختارهایی با پیوستاری از شکاف‌های انرژی، افزایش می‌دهد.
میزان بازده موتور احتراق داخلی حدود 30 درصد تا 40 درصد در لحظه است.
نانوتکنولوژی می‌تواند این بازده را به‌وسیله‌ی طراحی کاتالیزگرهای ویژه‌ای با بیشینه سطح ممکن افزایش دهد.

استفاده از سیستم‌های انرژی دوست‌دار محیط

سلول‌های سوختی که توان خود را از سوخت هیدروژن تامین می‌کنند نمونه‌ای از چنین سیستم‌هایی هستند.
این سلول‌ها بر مبنای استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر تولید شده‌اند (البته به طور ایده‌آل).
نانوتکنولوژی می‌تواند در کاهش بیشتر آلاینده‌های تولید شده در موتورهای احتراق نقش موثری داشته باشد. این کار توسط فیلترهای نانومتخلخل، یا با پوشش‌ کاتالیزوری روی دیواره‌های سیلندر و یا با نانوذرات کاتالیزوری به عنوان ماده افزودنی به سوخت، انجام می‌شود.

باتری‌های بازیافتی

به خاطر چگالی انرژی نسبتا پایین باتری‌ها، زمان کارکرد آن‌های محدود است. بنابراین آن‌ها به تعویض یا شارژ مجدد نیاز دارند.
به کمک صنعت نانو می‌توان باتری‌هایی با ظرفیت انرژی بالاتر یا باتری‌هایی قابل شارژ و یا حتی ابرخازن‌هایی با میزان شارژکنندگی بیشتر – که از نانو مواد در آن‌ها استفاده می‌شود – طراحی و تولید کرد.

کاربرد نانو در صنایع سنگین، فناوری اطلاعات و کالاهای مصرفی

- مواد سبک‌تر و با استحکام بیشتر کاربردهای وسیعی در سازه‌های حمل و نقل، هوانوردی و نیز در فضانوردی دارند. - در فناوری اطلاعات نوین، دستگاههای الکتریکی آنالوگ قدیمی به وسیله‌ی دستگاه‌های الکترونوری یا نوری جایگزین می‌شوند. زیرا این دستگاه‌ها به ترتیب پهنای باند و ظرفیت بیشتری نسبت به دستگاه‌های قبلی دارند. - نانوتکنولوژی به سرعت بازار کالاهای مصرفی را با تولید محصولاتی با کارایی‌های نوین تحت سلطه‌ی خود در می‌آورد.

کاربرد نانو در صنایع سنگین

برخی کاربردهای قطعی و اجتناب‌ناپذیر نانوتکنولوژی در صنایع سنگین است:

هوانوردی

مواد سبک‌تر و با استحکام بیشتر کاربردهای وسیعی در سازه‌های هوانوردی و نیز در فضانوردی دارند. زیرا در هر دو مورد وزن شاخص مهمی در فرآیندها و دستگاه‌های هوانوردی و فضانوردی است.

پالایش‌گاه‌ها

با استفاده از کاربردهای نانوتکنولوژی محصولات پالایش‌گاه‌ها (نظیر فولاد و آلومینیوم) با خلوص بیشتری تولید خواهند شد.

صنعت حمل و نقل

مواد سبکی که در عین حال از استحکام خوبی هم برخوردار باشند، در صنعت حمل و نقل نیز به‌کار گرفته می‌شوند. وسایلی که از این مواد ساخته شده باشند، هم سرعت بیشتری دارند و هم از امنیت بیشتری برخوردارند.

سازه‌های ساختمانی

بتن یکی از مهم‌ترین سازه‌های ساختمانی است که هرچه مقاومت و نفوذپذیری آن بالاتر باشد، ‌مرغوب‌تر است. با اضافه کردن نانوذرات ویژه‌ای به سنگ‌های متخلخل بتن و پخش یکنواخت این ذرات می‌توان بتنی با مقاومت بالا، نفوذپذیری کم و البته به طور قابل‌ملاحظه ای سبک تولید کرد.

کاربردهای نانو در فناوری اطلاعات و ارتباطات
دستگاه‌های نیمه‌رسانای جدید

دستگاه‌هایی که ساختار آنها بر اسپینوترنیک مبتنی است نمونه‌ای از به‌کارگیری نانوتکنولوژی در صنعت ارتباطات و فناوری اطلاعات است. مقاومت ماده در برابر میدان خارجی که از اسپین الکترون‌ها ناشی می‌شود، مقاومت مغناطیسی نام دارد. این مقاومت می‌تواند به طور قابل ملاحظه‌ای در اشیاء نانومقیاس تقویت شود. این مقاومت مغناطیسی که به GMR موسوم است میزان چگالی ذخیره‌ای داده‌ها را در دیسک سخت افزایش می‌دهد.
نوع دیگری از مقاومت مغناطیسی، مقاومت مغناطیسی تونل‌زن (TMR) است و به دلیل وابستگی اسپین الکترون‌ها به تونل‌زنی آن الکترون از لایه‌های فرومغناطیس مجاور اتفاق می‌افتد.
اثرات GMR و TMR هردو می‌توانند در ساخت یک حافظه‌ی اصلی غیر فرار برای کامپیوترها مورد استفاده‌ی علمی قرار گیرند. چنین کاربردی در ساختار حافظه دسترسی تصادفی مغناطیسی (MRAM) دیده می‌شود.
در فناوری اطلاعات نوین، دستگاههای الکتریکی آنالوگ قدیمی به وسیله‌ی دستگاه‌های الکترونوری یا نوری جایگزین می‌شوند. زیرا این دستگاه‌ها به ترتیب پهنای باند و ظرفیت بیشتری نسبت به دستگاه‌های قبلی دارند.
در این عرصه بلورهای فوتونیک و نقاط کوانتومی دو موضوعی هستند که نتایج تحقیقات در باره‌ی آنها بسیار امیدبخش است.
بلورهای فوتونیک موادی هستند با یک متغییر تناوبی در شاخص انکساری با یک شبکه که نصف طول‌موج نوری است که مورد استفاده قرار می‌گیرد.
این بلورها شبیه نیمه‌رساناها عمل می‌کنند، با این تفاوت که نیمه‌رساناها با الکترون‌ها سروکار دارند ولی این بلورها با نور و فوتون‌ها.

کامپیوترهای کوانتمی

تمام دستاوردهای جدید در زمینه‌ی کامپیوتر از قوانین کوانتم برایکامپیوترهای کوانتمی جدید استفاده می‌کند. این کامپیوترها سبب کوتاه شدن زمان انجام الگوریتم می‌شوند.

کالاهای مصرفی

نانوتکنولوژی به سرعت بازار کالاهای مصرفی را با تولید محصولاتی با کارایی‌های نوین تحت سلطه‌ی خود در می‌آورد:

مواد غذایی

نانوتکنولوژی در زمینه‌ی تولید، فناوری و بسته‌بندی محصولات غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرآیند پوشش توسط نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند صنعت بسته‌بندی غذاها را دگرگون کند. این روش بدین ترتیب انجام می‌شود که عوامل ضد میکروب به طور مستقیم در سطح لایه‌ی پوشش قرار می‌گیرند. نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند گذردهی گاز از میان فیلترهای مختلف را به فراخور شرایط و برحسب نیاز برای محصولات مختلف افزایش یا کاهش دهند. ضمنا می‌توانند ویژگی های مکانیکی و مقاومت در برابر گرما را بهبود بخشند و نیز میزان عبور اکسیژن را کاهش دهند.

محصولات خانگی

برجسته‌ترین کاربرد فناوری اطلاعات تولید شیشه‌ها یا سرامیک‌هایی با سطوح خودتمیزکن (Self-Cleaning) است.
ذرات نانو سرامیک همواری و مقاومت گرمایی ابزارهای متداول خانگی را بهبود می‌بخشد.

نور

نانواپتیک امروزه می‌تواند دقت انواع اعمال جراحی بر روی چشم به کمک لیزر را افزایش دهد.

منسوجات

با استفاده از نانوالیاف لباس‌های ضدآب، ضدلک و ضد چروک تولید می‌شود. چنین لباس‌هایی نیاز به شستشوی کمتری و نیز نسبت به لباس‌‌های معمولی با آب با دمای کمتری شسته می‌شوند.

کاربرد نانو در صنایع دریایی

کاربرد نانو در صنایع دریایی
کاربرد نانو در صنایع دریایی قدرت دریایی هر کشور از عناصر مختلفی تشکیل می شود. این عناصر می توانند با ناوگان نظامی، ناوگان تجاری، ناوگان صیادی، ناوگان شناورهای مردمی ، مراکز آموزش دریایی و صنایع دریایی تشکیل شوند. یکی از قسمتهای مهم این قدرت دریایی، بخش صنایع دریایی است.
مقدمه:
قدرت دریایی هر کشور از عناصر مختلفی تشکیل می شود. این عناصر می توانند با ناوگان نظامی، ناوگان تجاری، ناوگان صیادی، ناوگان شناورهای مردمی ، مراکز آموزش دریایی و صنایع دریایی تشکیل شوند. یکی از قسمتهای مهم این قدرت دریایی، بخش صنایع دریایی است. در وضعیت فعلی که کشور ایران در مقابل تهدیدات مختلفی قرار دارد و برحی از مخالفان و دشمنان نظام و انقلاب اسلامی ایران قصد ایجاد مزاحمت و جلوگیری از رشد و توسعه فناوری در خصوص تجهیزات و تسلیحات بخش دفاعیکشور ایران را دارند بنابراین ضرورت و اهمیت وجود یک صنایع دریایی قدرتمند و موثر آشکارتر می شود. همچنین دشمنان ایران با بهانه تراشیهای مختلف از جمله بحث انرژی هسته ای صلح آمیز و با صدور قطع نامه های پی در پی، ایران را با تحریم جدی تری مواجه می سازند و به ناچار برای نیروی دریایی جمهوری اسلامی ایران مشکلاتی را ایجاد می نمایند در این صورت امکان تهیه برخی از اقلام ضروری از مسولان مربوطه گرفته خواهد شد، پس باید صنعت دریایی نیازمندیهای بخش دفاعی را تامین نماید و توان نظامی کشور را ارتقا بخشد. این امکان مستلزم افزایش قابلیت های موجود و استفاده مفید از همه ظرفیتهای آن بخش می باشد. که همکاری فرماندهان و مسولان دو بخش و همچنین حمایت دولت را می طلبد؛در این میان استفاده ازفناوری‌نانو در بخش‌های مختلف صنایع دریایی کاربردهای ارزنده‌ای دارد که می‌تواند صنایع دریایی کشور ایران را با تحول زیادی روبه‌رو کند.قبل از اینکه بخواهیم درباره کاربردهای فناوری نانو در صنایع دریایی سخنی به میان آوریم؛بهتر است تا درباره چیستی این فناوری اندکی بدانیم. از نانو، بیوتکنولوژی و فناوری اطلاع رسانی به عنوان سه قلمرو علمی نام می برند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می دهد. از همین روست که کشورهای در حال توسعه که اغلب از دو انقلاب قبل جا مانده اند، می کوشند با سرمایه گذاری در این سه قلمرو، عقب ماندگی خود را جبران کنند. همان گونه که در این گزارش می خوانید، نانوتکنولوژی کاربردهای گسترده ای در تمام حیطه های زندگی دارد و از این رو توسعه آن می تواند به بهبود و تسهیل زندگی کمک فراوان کند.
نانو مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل آنهاست. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانو شکل‌ دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانو در الکترونیک ، زیست ‌شناسی ، ژنتیک ، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی بکار برده می‌شود.در نیم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوری عمده بودیم، که باعث پیشرفتهای عظیم اقتصادی در کشورهای سرمایه گذار و ایجاد فاصله شدید بین کشورهای جهان شد. در ایران بدلیل فقدان تصمیم گیری بموقع ، به این فرصتها پس از گذشت سالیان طولائی آن بها داده می‌شد ، همچون فنآوری الکترونیک و کامپیوتر در دو سه دهه گذشته که امروزه علیرغم توانائی دانشگاهی و داشتن تجهیزات آن ،ایران هیچگونه حضور تجاری در بازارهای چند صد میلیاردی آن ندارد. فناوری نانو با طبیعت فرا رشته‌ای خود ، در آینده در برگیرنده همه فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فن آوریهای موجود ، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را بصورت «یک حرف از علم» یکپارچه خواهد کرد.
میلیونها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری (ملکولی) _مثل یک درخت یا یک میکروب_ ساخته می‌شود.علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی‌نظیر بسازد که در طبیعت نیز یافت نمی‌شوند. فناوری نانو کاربردهای را به منصه ظهور می‌رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه بر جا می‌گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است.

آغاز نانوتکنولوژی:

علم نانو و علوم مرتبط با آن جدید نیستند چرا که صدها سال است که شیمیدانان از تکنیک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی علم نانو در کار خود استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند که بی‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شباهت به تنکنیک‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های امروزی نانو نیست. پنجره های رنگارنگ کلیساهای قرون وسطی، شمشیرهای یافت شده در حفاری های سرزمین های مسلمان همگی گویای این مطلب هستند که بشر مدت هاست که از برخی شگردهای این فناوری در بهینه کردن فرایندها و ساخت باکیفیت تر اشیاء بهره می برده است اما تنها به دلیل پیشرفت کم فناوری و نبود امکانات امروزی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ تونلی پیمایشی و غیره نتوانسته حوزه مشخصی برای این فناوری تعیین کند.
نانو تکنولوژی از یک رشته علمی خاص مشتق نمی شود. با وجودی که نانو تکنولوژی بیشترین وجه مشترک را با علم مواد دارد، خواص اتم و ملکول شالوده بسیاری از علوم است و در نتیجه دانشمندان حوزه های علمی به آن جذب می شوند. برآورد می شود در سراسر جهان حدود 000/20 نفر در نانو تکنولوژی کار می کنند.
پیشوند نانو از کلمه یونانی به معنای کوتوله مشتق می شود. برای اولین بار ریچارد فاینمن برنده جایزه نوبل فیزیک پتانسیل نانو علم را در یک سخنرانی تکان‌ دهنده با نام «درپایین اتاقهای زیادی وجود دارد»، مطرح کرد. فاینمن اصرار داشت، که دانشمندان ساخت وسائلی را ، که برای کار در مقیاس اتمی لازم است، شروع کنند.
این موضوع مسکوت ماند، تا اینکه اریک درکسلر ندای فاینمن را شنید و یک قالب ‌کاری برای مطالعه «وسایلی که توانایی حرکت دادن اشیاء مولکولی و مکان آنها را با دقت اتمی دارند»ایجاد کرد، که در سپتامبر 1981 در مقاله‌ای با نام«پروتئین راهی برای تولید انبوه مولکولی ایجاد می‌کند» آن را ارائه داد.درکسلر آن را با کتابی بنام «موتورهای خلقت» دنبال کرد و توسعه مفهوم نانو تکنولوژی را همانند یک کوشش علمی ادامه داد. اولین نشانه‌های ثبت ‌شده از این مفهوم نانو تکنولوژی تغییر مکان دادن اشیا مولکولی ، در سال 1989 بود، موقعی که دانشمندی در مرکز تحقیقات آلمادن IBM اتمهای منفرد گزنون را روی صفحه نیکل حرکت داد، تا نام IBM را روی سطح نیکل نقش کند.
براساس برآورد شرکت لاکس ریسرچ درنیوریورک، بودجه کل تحقیق و توسعه نانو تکنولوژی دولت ها و شرکت ها در سراسر جهان در سال 2004 بیش از 6/8میلیارد دلار بود. نیمی از این بودجه از جانب دولت ها تأمین می شد. اما به پیش بینی لاکس ریسرچ در سال های آینده، شرکت ها احتمالاً بودجه بیشتری از دولت ها صرف این علم خواهند کرد. .در خلال شش سال پیش از ،2003 سرمایه گذاری در نانو تکنولوژی توسط سازمان های دولتی هفت برابر شده است. این حجم سرمایه گذاری انتظارات را به اندازه ای افزایش داده است که شاید قابل تحقق نباشد. برخی معتقدند شرکت های نانو تکنولوژی مانند حباب شرکت های اینترنت در سال های اخیر از بین خواهند رفت. اما دلایلی وجود دارد که نشان می دهد درباره مخاطرات آن گزافه گویی شده است. سرمایه گذاران خصوصی اکنون بسیار محتاط تر از دوره رونق شرکت های اینترنت هستند و بیشتر پولی که دولت ها در این زمینه اختصاص می دهند، صرف علوم پایه و فناوری هایی می شود که تا سال ها در اختیار همگان قرارنخواهد گرفت. با این حال کیفیت برخی محصولات موجود با کاربرد نانو تکنولوژی بهبود یافته است و در چند سال آینده بر تعداد آنها افزوده خواهد شد. مثلاً با افزودن ذرات ریز نقره، بانداژ ضد سوختگی خاصیت ضد میکروبی پیدا کرده است. با اتصال ملکول های ایجاد کننده مانع به فیبر پنبه، پارچه هایی تولید شده است که ضد لکه و بو است.
راکت های تنیس با افزودن ذرات ریز تقویت شده است. در درازمدت نانو تکنولوژی به نوآوری های بزرگتری خواهد انجامید، از جمله انواع جدید حافظه کامپیوتر، فناوری پزشکی و روش های تولید انرژی بهتر مانند سلول های خورشیدی.
طرفداران این فناوری می گویند نانو تکنولوژی به تولید انرژی پاک و تولید بدون مواد زائد و غیره خواهد انجامید. مخالفان آن معتقدند نانوتکنولوژی باعث ایجاد نوعی نظام شناسایی بین المللی و آسیب به فقرا، محیط زیست و سلامت انسان خواهد شد. به نظر می رسد هر دو گروه در مورد استدلال های خود گزافه گویی می کنند، اما به هرحال باید از نانو تکنولوژی استقبال کرد.
همچنین از فناوری نانو به عنوان«رنسانس فناوری» و«روان کننده جریان سرمایه گذاری» یاد می‌شود. ورود محصولات متکی بر این فناوری جهشی بس عظیم در رفاه و کیفیت زندگی و توانائیهای دفاعی و زیست محیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائیهای بزرگ اقتصادی خواهد شد. هم اکنون بخشهای دولتی و خصوصی کشورهای مختلف جهان شامل ژاپن ، آمریکا ، اتحادیه اروپا ، چین ، هند ، تایوان ، کره جنوبی ، استرالیا و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازی جهانی در لااقل یک حوزه از این فناوری به سر می‌برند.هم اکنون روی هم رفته حدود 30 کشور دنیا در زمینه فناوری نانو دارای «برنامه ملی»یا درحال تدوین آن هستند، وطی پنچ سال گذشته بودجه تحقیق و توسعه در امر فناوری نانو را به 3.5 برابر افزایش داده‌اند. کشورهای ژاپن و آمریکا نیز فناوری نانو را اولین اولویت کشور خود در زمینه فناوری اعلام کرده اند.

نانو در صنایع دریائی:

امروزه بحث‌های بسیاری در زمینة فناوری‌نانو، کاربردها، مزایا ودورنمای آیندة آن مطرح است. صنایع دریایی حوزة وسیعی از صنایع از قبیل ساخت کشتی؛ زیردریایی و سکوهای دریایی را شامل می‌شود که اغلب آنها در کشور ایران نوپا هستند. فناوری‌نانو در بخش‌های مختلف صنایع دریایی کاربردهای ارزنده‌ای دارد که می‌تواند صنایع دریایی کشور ایران را با تحول زیادی روبه‌رو کند. از طرفی شناسایی نیازهای گستردة صنایع دریایی می‌تواند بازار خوبی برای محصولات فناوری‌نانو در ایران باشد و زمینة رشد خوبی را نیز برای آن فراهم کند. در این مقاله برخی کاربردهای فناوری‌نانو در صنایع دریایی مورد ارزیابی قرار گرفته و در انتها نیز جایگاه صنایع دریایی درکشورایران آورده شده است.
فناوری‌نانو در دهه اخیر از سوی کشور ایران ،مورد توجه جدی قرار گرفته است. همزمان با آن صنایع دریایی نیز دچار تحولات اساسی شده و سرمایه‌گذاری‌های هنگفتی در آن انجام شده است. امروزه ثابت شده است که صنایع دریایی می‌تواند عامل مهمی در رشد و توسعه در مناطق ساحلی ایران باشد. ایران با داشتن 2900 کیلومتر مرز آبی، در شمال و جنوب ؛در زمینه صنایع دریایی، کشوری در حال توسعه محسوب می‌شود، در حالی که برخی از کشورهای اروپایی با کمتر ازیک پنجم این مرز آبی، جزو کشورهای قدرتمند در زمینه صنایع دریایی قرار دارند و به واسطه این توانمندی، سلطه خود را بر دنیا تحمیل کرده‌اند.
صنایع دریایی شامل حوزه وسیعی از صنایع می‌شود که هر کدام می‌توانند پشتوانه و مهد توسعه علم و فناوری باشند. سه دسته‌بندی کلی صنا‌یع دریایی عبارتند از:
1. صنایع کشتی‌سازی شامل: ساخت انواع کشتی‌ها از قبیل کشتی‌های کانتینربر، نفتکش‌های غول پیکر، ناوچه‌ها و زیردریایی‌. در این زمینه شرکت‌های بزرگی نظیر صدرا، ایزوایکو، اروندان و فجر درایران شکل گرفته‌اند که هر یک تجربه ساخت ده‌ها فروند شناور دارند.
2. صنایع فرا ساحل: شامل ساخت سکوهای ثابت و متحرک دریایی و لوله‌گذاری در دریا می‌شود که در پروژه‌های عظیم نفت و گاز به خصوص در حوزه‌های پارس جنوبی، ابوذر و میادین بزرگ نفتی کاربرد دارند. شرکت‌های بزرگی از قبیل تأسیسات دریایی، صدف و صدرا در این زمینه شکل گرفته‌اند که تجربه ساخت ده‌ها سکوی ثابت و متحرک دریایی و صدها کیلومتر لوله‌گذاری دریایی را در کارنامه فعالیت خود دارند.
3. صنایع ساحلی و بندری: شامل ساخت اسکله، موج‌شکن و سازه‌های نزدیک ساحل(پایانه‌های نفتی) که در بنادر شهید رجایی، باهنر، بوشهر، امام خمینی و جزیره خارک تجارب بسیاری در این زمینه اندوخته شده است که از جمله آنها می‌توان به قرارگاه سازندگی نوح و شرکت صدرا اشاره کرد.
فناوری‌نانو در زمینه صنایع دریایی، به خصوص ساخت شناورها از اهمیت خاصی برخوردار است و کاربردهای آن را می‌توان به‌طور کلی شامل موارد زیر دانست:
1 -ایجاد پوشش‌های مناسب در برابر اثرات محیط دریا؛
2-تولید مواد جدید برای ساخت بدنه و اجزای آن به‌منظور افزایش استحکام
3 -تولید مواد جدید برای افزایش قابلیت عملکرد شناور مانند سوخت‌های جدید، باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا و پیل‌های سوختی.
صنایع دریایی گستره وسیعی از صنایع مانند شناورهای سطحی (کشتی‌ها)، زیرسطحی (زیردریایی‌ها) ، سکوهای دریایی و کلیه صنایع مرتبط با دریا را در برمی‌گیرد.برخی از پتانسیل‌های کاربردفناوری‌نانو در این صنایع عبارتنند از:
1. کلیه تحولاتی که در فناوری کامپیوتر، الکترونیک و مخابرات براساس فناوری‌نانو ایجاد می‌گردد، قطعاً بر صنایع دریایی تأثیر‌ می‌گذارد؛ زیرا این صنایع مانند سایر صنایع، وابستگی بسیاری به این فناوری‌ها دارند.چرا که امروزه استفاده از وسایل الکترونیکی و کامپیوتری از اجزای لاینفک شناورهای دریائی و درکل تجهیزات دریایی شده است.
2. الکترودهای جوشکاری دما پایین: این الکترودها با استفاده از فناوری‌نانو، دارای دمای کاری بسیار پایینی نسبت به الکترودهای جوشکاری موجود هستند. مواد این الکترودها به‌گونه‌ای است که در ازای حرارت اندک، اتحاد مولکولی مستحکمی را بین مولکول‌های دو قطعه فلز ایجاد می‌کنند و عملکردی شبیه چسب‌های حرارتی معمولی خواهند داشت. این الکترودها تأثیر شگرفی بر فناوری جوشکاری، به خصوص جوشکاری آلومینیوم خواهند داشت. کاربرد و حجم زیاد جوشکاری در صنایع دریایی می‌تواند عاملی برای تأثیر فوق‌العاده فناوری‌نانو در این زمینه باشد.
3. سوخت: کشتی و کلیه شناورها برای تأمین قدرت حرکت در دریا، معمولاً چندین تن سوخت حمل می‌کنند و کشتی‌های اقیانوس‌پیما نیز در طول مسیر دریانوردی مجبور هستند، چندین بار برای سوخت‌گیری توقف کنند. فناوری‌نانو با ارائه سوخت‌های پرانرژی، کشتی‌ها را از توقف‌های متعدد در دریا و حمل چندین تن سوخت بی‌نیاز خواهد کرد. این سوخت‌ها به‌صورت بسته‌های پرانرژی مولکولی است که از اثرات مولکول‌ها بریکدیگر، انرژی زیادی آزاد می‌کنند، به صورتی که یک لیتر از این سوخت‌ها، معادل ده‌ها لیتر سوخت معمولی انرژی آزاد می‌کند. از آنجا که ذرات نانومتری موجب افزایش سرعت سوخت ویکنواختی آن می‌گردد، در سوخت‌های جدید می‌توان جهت افزایش قدرت سوخت از آنها استفاده کرد.
4. نانوفایبرگلاس و نانوکامپوزیت‌ها:ماده فایبرگلاس با آرایش تار و پودی (ماتریسی) ، استحکام زیادی دارد. در این مواد، الیاف شیشه به صورت تارهای نازک و تحت شرایط خاصی تولید شده و به صورت متفاوتی به هم بافته می‌شوند؛ رایج‌ترین نوع آنها الیاف بافته شده به‌صورت حصیری و الیاف سوزنی است. فناوری‌نانو با اعمال آرایش تار و پودی بین مولکول‌ها، نانوفایبرگلاس‌های بسیار محکم و سبکی ایجاد می‌کند که نسبت به فایبرگلاس‌های امروزی برتری بسیاری دارند. نانوکامپوزیت‌ها دسته جدیدی از مواد مورد مطالعه جهانی است که شامل پلیمرهای قدیمی تقویت شده با ذرات نانومتری می‌شود. کامپوزیت‌ها با داشتن آرایش‌های مولکولی متفاوت، کاربردهای وسیع‌تر و جدیدتری را تجربه خواهند کرد. از جمله خواص مهم کامپوزیت‌ها، استحکام زیاد در عین وزن کم، مقاومت بالا در برابر خوردگی و خاصیت جذب امواج راداری است. این خاصیت به منظور ساخت هواپیماها و زیردریایی‌هایی که به وسیله رادار قابل شناسایی نیستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد .
5. جاذب‌های ارتعاشی: جاذب‌های ارتعاشی امروزی، موادی حجیم و سنگین هستند. فناوری‌نانو با ارائه جاذب‌های ارتعاشی جدید، تحول عمیقی را در این زمینه ایجاد خواهد کرد. این نانومواد، انرژی ارتعاشی را به مقدار بسیار بالایی در بین شبکه مولکولی خود ذخیره می‌کنند و ساختارهای مولکولی ویژه آنها، تا حد زیادی از انتقال انرژی ارتعاشی به مولکول‌های جانبی جلوگیری می‌کند؛ بدین ترتیب ارتعاش به خوبی مهار می‌شود. این مواد در کشتی‌های مسافربری، شناورهای نظامی و زیردریایی‌ها کاربردهای بسیاری دارند و اغلب در زیر موتورها و اجزای دوار شناورها نصب می‌گردند.
6. جاذب‌های صوتی: این جاذب‌ها نیز مانند جاذب‌های ارتعاشی، علی‌رغم سبک و نازک بودن، انرژی صوت را به‌طور کامل میرا می‌کنند. جاذب‌های صوتی امروزی با وجود سنگین و حجیم بودن، نسبت به فرکانس و جهت صوت برخوردی، بازدهی متفاوتی دارند. فناوری‌نانو انواعی از جاذب‌های صوتی را ارائه می‌کند که ساختار مولکولی آنها با جهت برخورد صوت و فرکانس صوت قابل تطابق باشد؛ به گونه‌ای که بتوانند بیشترین مقدار انرژی صوت را جذب کنند. این مواد در کشتی‌های مسافربری، شناورهای نظامی و زیردریایی‌ها کاربردهای بسیاری دارند و قسمت داخلی یا خارجی بدنه از این مواد پوشیده می‌شود.
7. رنگ‌های دریایی: خوردگی بسیار زیاد محیط دریا به خصوص دریاهای آب شور مانند خلیج فارس، از معضلات اساسی نگهداری سکوهای دریایی و کشتی‌هاست. شرایط خاص محیط دریا ایجاب می‌کند که به‌طور متوسط، هر سه سال یک‌بار بدنه سکوها و کشتی‌ها رنگ‌آمیزی شود. فناوری‌نانو رنگ‌های جدید بسیار مقاوم در برابر خوردگی و اثرات محیط ارائه می‌نماید که با توجه به طول عمر شناورها و دوام بیش از 20 سال این رنگ‌ها بر بدنه شناورها، می‌توان این امر را به معنای مادام‌العمر بودن این رنگ‌ها دانست.
8. جاذب‌های انرژی موج دریا و نور آفتاب: فناوری‌نانو نسل جدیدی از مواد را ارائه می‌کند که همانند سلول‌های فتوالکتریک انرژی موج دریا و نور آفتاب را جذب می‌کنند و به مثابه منبع تأمین انرژی خواهند بود. ویژگی منحصر به فرد این مواد این است که همانند پوشش‌های معمولی دریایی قابل اتصال به بدنه شناور هستند که می‌تواند مدت دوام شناور در دریا را چندین برابر نماید و از انرژی‌های محیط استفاده کند. استفاده از این منابع انرژی مزیت‌های زیست‌محیطی نیز دارد.
9. نانوفیلتراسیون: از جمله ویژگی‌های این فناوری می‌توان به جذب ذرات بسیار ریز محیط اشاره کرد که در جذب مونوکسید و دی‌اکسید کربن کاربرد دارند. پوشش داخلی زیردریایی‌ها در زیر آب محیطی بسته و مناسب با بکارگیری این فناوری است. مطابق این فناوری، بلورهای اکسید تیتانیوم نیمه‌رسانا که اندازه‌ شان فقط 40 نانومتر است به‌وسیله نور ماوراء بنفش شارژ شده، برای حذف آلودگی‌های آلی استفاده می شوند.
10. نانومورفولوژی: با استفاده از فناوری‌نانو می‌توان مواد بسیار مقاوم در برابر آتش ساخت که در اشتعال ناپذیری به خاک تشبیه می‌شوند. استفاده از این مواد در شناورها به منظور ایمنی در برابر آتش‌سوزی بسیار حائز اهمیت است. در شناورهای نظامی خطر آتش سوزی بسیار زیاد است؛ لذا استفاده از این فناوری بسیار حیاتی است.
11. تحول در فناوری پیل سوختی: پیل سوختی در شناورها به خصوص شناورهای زیرسطحی و زیردریایی‌ها، کاربردهای وسیعی دارد. امروزه روش‌های مختلفی برای ذخیره‌سازی هیدروژن مورد نیاز در پیل سوختی استفاده می‌شود؛ (از جمله به صورت مایع که دمای بسیار پایین یا فشار بسیار بالایی نیاز دارد) ، هیدرات فلزی (که وزن بسیار زیادی را به شناور تحمیل می‌کند) و کربن فعال (که استفاده از آن معضل زیاد و بازده کمی دارد) . اکنون می توان از نانولوله‌های کربنی برای ذخیره هیدروژن استفاده کرد؛ زیرا دیگر نیازی به دمای پایین، فشار بسیار بالا و تحمل وزن سنگین نخواهد داشت؛‌ این کار تحول عظیمی را در فناوری پیل سوختی ایجاد خواهد کرد.
12. باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا: امروزه انواع مختلفی از باتری‌های قابل شارژ وجود دارند که دارای وزن زیاد و ذخیره انرژی اندکی هستند . این باتری‌ها در شناورها به خصوص در قایق‌های تفریحی، زیردریایی‌ها و کشتی‌ها (به عنوان منبع برق اضطراری) کاربردهای حیاتی و مهمی دارند، امّا انرژی اندکی که ذخیره می‌کنند زمان ماندن زیردریایی‌های دیزل الکتریک در زیر آب را محدود می‌کنند. در موقع حرکت سطحی که دیزل قادر به فعالیت است، انرژی الکتریکی تولید شده دیزل در باتری‌ها ذخیره می‌شود و در موقع حرکت در زیر سطح آب که به علت دسترسی نداشتن به هوا امکان کار برای دیزل وجود ندارد، از این انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. فناوری‌نانو با ارائه باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا، زیردریایی‌های دیزل الکتریک را قادر می‌کند تا ده‌ها برابرِ زمان فعلی خود در زیر آب بمانند. علاوه بر آن فناوری‌نانو با کاهش وزن بسته‌های باطری، کاربردهای ارزنده‌ای در فناوری هوافضا، هواپیماهای بدون سرنشین، اتومبیل و شناورهای تفریحی کوچک پدید می‌آورد.
13. گرافیت و سرامیک: فناوری‌نانو با ارائه مواد بسیار مستحکم که ده‌ها برابر مقاوم‌تر از فولاد هستند، تأثیر چشمگیری در ساخت سازه‌های دریایی و صنایع دریایی خواهد داشت. سرامیک‌ها از جمله این موادند که در بدنه شناورهای زیر دریایی آب عمیق (حدود 11 هزار متر) به‌کار خواهند رفت. این مواد با داشتن استحکام فوق‌العاده، وزن سبک، مقاومت بسیار زیاد در برابر خوردگی و دوام در شرایط دمایی بسیار متغیر، گزینه بسیار مناسبی برای سازه‌های عظیم دریایی به خصوص غوطه‌ور شونده‌ها و زیردریایی‌ها هستند.در ایران صنایع دریایی به معنای واقعی خود؛ یعنی ساخت سکوهای ثابت و متحرک دریایی، کشتی‌های اقیانوس پیما، زیردریایی‌ها و غیره، حدودیک دهه از عمرشان می‌گذرد و صنعتی نوپا محسوب می‌گردد. فناوری‌نانو نیز در دنیا قدمت چندانی ندارد و از معدود فناوری‌هایی است که در همان بدو مطرح شدنش در دنیا، در ایران نیز مطرح شده است. فناوری‌نانو با توجه به تأثیرات شگرفی که در همه صنایع دارد، مورد توجه قرار گرفته است. صنایع دریایی در حال رسیدن به دوران تکامل خود در ایران است و فناوری‌نانو هم می‌تواند به تکامل هدفمند و روزافزون آن کمک کند. کاربردهایی از فناوری‌نانو که بیان شد، تنها گوشه‌ای از کاربردهای گسترده آن در صنایع دریایی است و آینده، این کاربردها را قطعی‌تر و مشخص‌تر خواهد کرد؛ لذا مدیران کلیه بخش‌های صنعتی از جمله صنایع دریایی نباید خود را نسبت به فناوری‌نانو بیگانه بدانند، بلکه همواره باید پیشرفت‌های این شاخه از دانش و فناوری مولکولی را در دنیا زیر نظر داشته، از پیشرفت این فناوری جدید ،حمایت‌های مادی و معنوی لازم را به عمل آورند. چه بسا که ورود فناوری‌نانو به هر صنعتی، تحولات شگرفی را باعث شود و غافلگیری و ورشکستگی رقبا را به دنبال داشته باشد. از طرف دیگر، نهادهای مرتبط باید پیشرفت‌های روز دنیا در زمینه فناوری‌نانو را به صنایع مربوطه معرفی کنند که این امر مستلزم شناخت نیازهای هر بخش از صنعت در زمینه فناوری‌نانو است. لازم است، متولیان فناوری‌نانو بایک تقسیم‌بندی منطقی در صنایع موجود ، نیازهای هریک را به تفکیک بررسی کنند و با شناسایی نیازهای بازار، توسعه فناوری‌نانو را جهت‌دهی نمایند. به علاوه، پشتوانه مالی مناسبی نیز برای توسعه فناوری‌نانو فراهم نمایند، زیرا نشناختن نیازها به معنای بیراهه رفتن فناوری‌نانواست.
منبع: http://www.persianarticles.com

شناسایی ویژگی های مکانیکی ویروس‌ها به کمک نور

شناسایی ویژگی های مکانیکی ویروس‌ها به کمک نور
معمولاً چنین تصور می‌شود که همة ویروس‌ها پاتوژن هستند. با توجه به سازمان‌یافته بودن ساختار ویروس‌ها و امکان تکثیر آسان آنها، اخیراً دانشمندان مطالعاتی را در زمینة کاربردهای بالقوة آنها در فناوری‌نانو، فتونیک و الکترونیک آغاز کرده‌اند.
گروه تحقیقاتی در ایالات متحده آمریکا با مطالعة روی ویروس‌ها دریافتند که آنها بسیار سخت‌تر از پلاستیک هستند. این کشف در کنار یافته‌های قبلی(که نشان می‌دادند ویروس‌ها قادر به تشکیل مجموعه‌هایی با ساختار مکانیکی مستحکم هستند)، موجب شد که از ویروس‌ها در تولید نانوساختارها و nanotemplate استفاده شود.
تحقیقات این گروه بر روی ویروس‌هایWIV ("wiseana iridovirus") انجام گرفت و نتایج نشان داد که استحکام آنها دو برابر پروتئین‌هاست و از پلاستیک‌های محکمی مانند PMMA وps نیز محکم‌تر بوده، به‌رغم کلوئیدهای پلیمری، می‌توانند اتصالات مکانیکی خارق‌العاده‌ای را تشکیل دهند. چنین ویژگی‌هایی برای تشکیل نانوساختارها بسیار حیاتی و مهم است.
به کمک روش‌های نوین اسپکتروسکوپی تفرق نوری، می‌توان فرکانس تکان‌های ویروس‌ها را محاسبه کرد و بدین ترتیب سختی آنها را تخمین زد. فایدة این روش در مقایسه با سایر روش‌ها در این است که مستقیم، غیر مخرب و بدون تماس با ویروس انجام می‌شود. با استفاده از آن می‌توان سختی بلورهای فتونیک و نانوساختارهای پلیمری را نیز اندازه‌گیری کرد. محققان معتقدند که ویژگی‌های ویروس‌ها کاملاً وابسته به "DNA" آنهاست. ویروس‌ها بلوک‌های ساختمانی بسیار مناسب با کاربردهای زیادی در فناوری‌نانو هستند و در بسیاری از نقاط جهان تحقیقات دربارة استفاده از آنها در ابزارهای نوری(فتونیک) و الکترونیک در حال انجام است.
منبع: نانو تکنولوژی

نخستین عکس‌ها از ترتیب اتم‌ها در نانو ذرات پیل سوختی

نخستین عکس‌ها از ترتیب اتم‌ها در نانو ذرات پیل سوختی
مهندسانی از MIT و دو مؤسسة دیگر، گامی در جهت دستیابی به پیل‌‌های سوختی کارامدتر برای خودروهای الکتریکی و سایر ابزارهای مشابه برداشته‌اند. آنها برای نخستین ‌بار، از اتم‌های مجزایی عکس‌برداری کردندکه بر روی(و یا در نزدیک) سطح گونة خاصی از نانوذرات -که وجود آنها برای ابزارهای ذخیره‌سازی انرژی دوست‌دار محیط ضروری است- قرار دارند.
نانوذراتی که از پلاتین و کبالت ساخته می‌شوند، برخی از واکنش‌های شیمیایی‌ای را که در پیل‌های سوختی رخ می‌دهند، کاتالیز می‌کنند و موجب می‌شوند که این واکنش‌ها چهار برابر سریع‌تر از زمانی که تنها از پلاتین به‌عنوان کاتالیست استفاده می‌شود، اجرا شوند. دلیل این پدیده، به‌درستی مشخص نیست. زیرا بنا به اظهارت یانگ شاو‌هورن -که یک استادیار در گروه مهندسی مکانیک و گروه علم و مهندسی مواد و همچنین مدیر آزمایشگاه انرژی الکتروشیمیایی در MIT است- اطلاعات کمی در مورد شیمی و ساختار اتمی سطحی این نانوذرات در دست است و این دو عامل، در تعیین عملکرد ذرات، نقشی اساسی دارند.
با استفاده از روش جدیدی که ریزبینی الکترونی عبوری روبشی با انحرافِ اصلاح‌شده نامیده می‌شود؛ گروه شاوهورن با همکاری محققانی از دانشگاه تگزاس و آزمایشگاه ملی اوآک‌ریج، ساختارهای اتمی خاص موجود در نزدیکی سطح چنین کاتالیست‌هایی را شناسایی کردند. با در اختیار داشتن این اطلاعات، این محققان نظریه‌ای ارائه کرده‌اند که عملکرد مادة مذکور را توجیه می‌کند. بنا به گفتة شاوهورن شناخت ترتیب سطحی به ما کمک خواهد کرد تا کاتالیست‌های بهتری طراحی کنیم و شاید این مسئله، مهم‌ترین جنبة این کشف باشد.
این محققان نانوذرات پلاتین و کبالتی را که با اسید واکنش داده بودند - و برخی پس از واکنش با اسید تحت حرارت بالایی قرار داده شده بودند- بررسی کرده، دریافتند که هر کدام از این دو دسته نانوذرات، فعال‌تر از پلاتینِ اصلاح‌نشده هستند. شاوهورن و همکارانش دریافتند که ساختارهای سطحی هر کدام از این دو دسته نانوذرات، کمی متفاوت است؛ به‌عنوان مثال، در نانوذراتی که تحت حرارت قرار گرفته بودند، اتم‌های پلاتین و کبالت یک ساختار «ساندویچ‌شکل» ایجاد می‌کردند. اتم‌های پلاتین، بیشتر سطح را پوشانده بودند؛ در حالی که لایة زیرین عمدتاً از کبالت تشکیل شده بود. لایه‌های متوالی بعدی، دارای مخلوطی از این دو اتم بودند.
به گفتة این گروه این نانوذرات خاص، بیش از چهار برابر فعال‌تر از پلاتین منفرد و اصلاح‌نشده هستند؛ زیرا در این نانوذرات، اتم‌های پلاتینی موجود بر روی سطح، به اتم‌های کبالتِ زیرین پیوند خورده‌ و مقید شده‌اند.
شاوهورن گفت:«این امر موجب می‌شود تا فاصله‌های بین ‌اتمی در بین اتم‌های پلاتین موجود در سطح نانوذرات، اصلاح شود.» و این اتم‌ها، برای واکنش‌های شیمیایی‌ مهمی که در پیل‌های سوختی رخ می‌دهند، کارامدتر باشند. وی افزود:«این تحقیق، پلی است میان فاصلة موجود بین یافته‌های ما در زمینة الکتروکاتالیز در مواد بزرگ‌مقیاس و نانومقیاس.»
این تحقیق از سوی گروه انرژی و بنیاد ملی علوم حمایت مالی شده‌است.
نتایج این تحقیق در نشریة Journal of the American Chemical Society به چاپ رسیده‌است.
منبع: نانو تکنولوژی

کاربرد های نانوتکنولوژی

کاربرد های نانوتکنولوژی
یکی از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یک میلیاردم واحد آن مقیاس است.برای مثال یک نانومتر معادل یک میلیاردم متر است. با توجه به اینکه یک سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به کوچکی این مقیاس پی برد.
با توجه به اینکه یک سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به کوچکی این مقیاس پی برد. از آنجایی که علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی، فیزیک، بیولوژی، پزشکی، مهندسی و الکترونیک را در بر می گیرد،‌گروه بندی آن بسیار پیچیده است.
یکی از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یک میلیاردم واحد آن مقیاس است.برای مثال یک نانومتر معادل یک میلیاردم متر است. با توجه به اینکه یک سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به کوچکی این مقیاس پی برد. از آنجایی که علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی، فیزیک، بیولوژی، پزشکی، مهندسی و الکترونیک را در بر می گیرد،‌گروه بندی آن بسیار پیچیده است. دانشمندان، علوم نانو را به چهار گروه شامل مواد (گروه اول)، مقیاسها (گروه دوم)، تکنولوژی الکترونیک، اپتوالکترونیک، اطلاعات و ارتباطات (گروه سوم) و بیولوژی و پزشکی (گروه چهارم) طبقه بندی کرده اند. این طبقه بندی باعث سهولت در بررسی این علوم شده است البته تداخل برخی از بخش ها در یکدیگر طبیعی است. برنامه های توسعه این تکنولوژی به سه بخش کوتاه مدت (کمتر از پنج سال)، میان مدت( بین۱۵-۵ سال) و بلند مدت (بیش از۲۰ سال) تقسیم بندی شده است. مواد نانو (nanomaterials) قابلیت کنترل ساختار تشکیل دهنده مواد پیشرفته (از فولادهای ساخته شده در اوایل قرن۱۹ تا انواع بسیار پیشرفته امروزی) در ابعاد کوچک و کوچکتر،‌ در اندازه های میکرو و نانو بوده است. هر قدر بتوانیم این مواد را در ابعاد ریزتر و کنترل شده ای تولید کنیم خواهیم توانست مواد جدیدی را با قابلیت و عملکردهای بسیار عالی به دست آوریم. تاکنون تعاریف متعددی از مواد نانو ارائه شده است اما در یک تعریف جامع می توان گفت موادی در این گروه قرار می گیرند که یکی از ابعاد اضلاع آنها از۱۰۰ نانومتر کوچکتر باشد. یکی از این گروهها »لایه ها« است. لایه ها یک بعدی هستند که در دو بُعد دیگر توسعه می یابند مانند فیلم های نازک و پوششها. برخی از قطعات کامپیوتر جزو این گروه هستند. گروه بعدی شامل موادی است که دارای دو بعد هستند و در یک بعد دیگر گسترش می یابند و شامل لوله ها و سیمها می شوند. گروه مواد سه بعدی در نانو شامل ذرات، نقطه های کوانتمی (ذرات کوچک مواد نیمه هادیها) و نظایر آنها می شوند. دو ویژگی مهم، مواد نانو را از دیگر گروهها متمایز می سازد که عبارتند از افزایش سطح مواد و تاثیرات کوانتمی. این عوامل می توانند باعث ایجاد تغییرات و یا به وجود آمدن خواص ویژه ای مانند تاثیر در واکنشها، مقاومت مکانیکی و مشخصه های ویژه الکتریکی در مواد نانو شوند. همانگونه که اندازه این مواد کاهش می یابد، تعداد بیشتری از اتمها در سطح قرار خواهند گرفت. برای مثال، اتم های موادی به اندازه۳۰ نانومتر به میزان۵ درصد،۱۰ نانومتر به میزان۲۰ درصد و۳ نانومتر به میزان۵۰ درصد در سطح قرار دارند. در نتیجه مواد نانو با ذرات کوچکتر در مقایسه با مواد نانو با ذرات بزرگتر دارای سطح بیشتری در واحد جرم هستند. با توجه به ازدیاد سطح در این مواد، تماس ماده با سایر عناصر بیشتر شده و موجب افزایش واکنش با آنها می شود. این عمل منجر به تغییرات عمده در شرایط مکانیکی و الکترونیکی این مواد خواهد شد. برای مثال سطوح بین ذرات کریستالها در بیشتر فلزات باعث تحمل فشارهای مکانیکی بر آن می شود. اگر این فلزات در مقیاس نانو ساخته شوند، با توجه به ازدیاد سطح بین کریستالها، مقاومت مکانیکی آن به شدت افزایش می یابد. برای مثال فلز نیکل در مقیاس نانو مقاومتی بیشتر از فولاد سخت شده دارد. به موازات تاثیرات ازدیاد سطح، اثرات کوانتمی با کاهش اندازه مواد (به مقیاس نانو) موجب تغییر در خواص این مواد می شود (تغییر در خواص بصری، الکتریکی و جاذبه). موادی که تحت تاثیر این تغییرات قرار می گیرند ذرات کوانتمی، لیزرهای کوانتمی برای الکترونیک بصری هستند. همانگونه که بیش از این گفته شد مواد نانو، به سه گروه یک، دو و سه بُعدی طبقه بندی شده اند. مواد نانوی یک بعدی: این مواد شامل فیلم های بسیار نازک و سطوح مهندسی است و در ساخت ابزار الکتریکی و شیمیایی و مدارهای الکترونیکی ساده و مرکب کاربرد وسیعی دارند. امروزه کنترل ضخامت لایه ها تا اندازه یک اتم صورت می پذیرد و ساختار این لایه ها حتی در مواد پیچیده ای مانند روانکارها شناخته شده است. لایه های مونو که قطر آنها به اندازه یک ملکول و یا یک اتم است، در علوم شیمی کاربرد وسیعی دارند. یکی از کاربردهای این لایه ها ساخت سطوحی است که خود را بازسازی کنند. مواد نانوی دوبعدی: به تازگی کاربرد مواد نانوی دو بعدی در تولید سیم و لوله ها افزایش یافته و توجه دانشمندان را به دلیل وجود خواص ویژه مکانیکی و الکترونیکی به خود جلب کرده است. در زیر به چند نمونه ساخته شده در این گروه اشاره می شود. نانو لوله های کربنی، CNTs : از رول کردن ورقهای گرافیتی یک یا چند لایه ساخته شده و قطر آنها چند نانو و طولشان چند میکرومتر است.ساختار مکانیکی این مواد مانند الماس بسیار سخت است اما در محورهای خود نرم و تاشو هستند.همچنین این مواد هادی الکتریکی بسیار عالی هستند. نوع غیر عالی نانو لوله های کربنی مانند مولیبید یوم دی سولفاید پس از CNTs ساخته شده است. این مواد دارای ویژگی های منحصر به فردی همچون روانکاری، مقاومت در برابر ضربات امواج شوکها، واکنشهای کاتالیزی و ظرفیت بالا در ذخیره هیدروژن و لیتیم هستند. لوله های مواد پایه اکسیدی مانند اکسید تیتانیم، برای کاربردهای کاتالیزی، کاتالیزرهای نوری و ذخیره انرژی به صورت تجاری به بازار عرضه شده اند. نانو سیمها: این سیمها از قرار گرفتن ذرات بسیار ریز از مواد مختلف به صورت خطی ساخته می شوند. نانوسیمهای نیمه هادی از سیلیکون، نیترات گالیم و فسفات ایندیوم ساخته شده و دارای قابلیتهای بسیار خوب نوری، الکتریکی و مغناطیسی است و نوع سیلیکونی این سیمها می تواند بخوبی در یک شعاع بسیار کوچک بدون آسیب رسانی به ساختار سیم خم شود. این سیمها برای ثبت مغناطیسی اطلاعات در حافظه کامپیوترها، وسایل نانوالکترونیکی و نوری و اتصال مکانیکی ذرات کوانتمی به کار می روند. بیوپلیمرها: انواع گوناگون بیوپلیمرها، مانند ملکولهای DNA ، در خودسازی نانوسیمها در تولید مواد بسیار پیچیده به کار می روند. همچنین این مواد دارای قابلیت اتصال نانو و بیوتکنولوژی برای ساخت سنسور و موتورهای کوچک هستند. مواد نانوی سه بعدی: این مواد به آن گروه تعلق دارد که قطری کمتر از۱۰۰ نانومتر داشته باشند. مواد نانوی سه بعدی در اندازه های بزرگتر ساختار متفاوتی داشته و طیف وسیعی از مواد را در جهان تشکیل می دهند و صدها سال است که به صورت طبیعی در زمین یافت می شوند. مواد تولید شده از عوامل فتوشیمیایی، فعالیت های آتش فشانها، مواد محترق از پختن غذا، مواد متصاعد از احتراق سوخت ماشین ها و مواد آلاینده تولید شده در صنایع جزو این گروه از مواد هستند. این مواد به علت رفتار متفاوت در واکنش های شیمیایی و بصری بسیار مورد توجه قرار دارند. برای مثال اکسید تیتانیوم و روی که بصورت شفاف و فرانما، جاذب و منعکس کننده نور ماورای بنفش در صفحات خورشیدی به کار می روند در ابعاد نانو هستند. این مواد کاربردهای بسیار ویژه ای در ساخت رنگها و داروها (به ویژه داروهایی که تجویز آنها فقط برای یک عضو مشخص بدن و بدون تاثیر بر سایر اعضاست) دارند. مواد نانوی سه بُعدی شامل مواد بسیاری می شود که به چند نمونه از آنها اشاره می کنیم. کربن۶۰ (فوله رنس Fullerenes) : در اوایل سال۱۹۸۰ گروه جدیدی از ترکیبات کربنی بنام کربن۶۰، ساخته شد. کربن۶۰ ، کروی شکل، به قطر۱ نانومتر و شامل۶۰ اتم کربن است که به علت شباهت ساختار مولکولی آن با گنبدهای کروی ساخته شده توسط مهندس معماری بنام بوخ مینستر فولر بنام »فوله رنس« نامگذاری شد. در سال۱۹۹۰ ، روش های ساخت کوانتم های کربن۶۰ با مقاومت حرارتی میله های گرافیتی در محیط هلیم بدست آمد. این ماده در ساخت بلبرینگ های مینیاتوری و مدارهای الکترونیکی کاربرد وسیعی دارند. دِن دریمرز (Dendrimers) : دن دریمرز از یک ملکول پلیمر کروی تشکیل شده و با یک روش سلسله مراتبی خود سازی تولید می شوند. انواع گوناگونی از این مواد به اندازه های چند نانومتر وجود دارند. دن دریمرز در ساخت پوششها، جوهر و حمل دارو به بدن کاربرد فراوانی دارند. همچنین در تصفیه خانه ها به منظور بدام انداختن یونهای فلزات که می توان به وسیله فیلترهای مخصوص از آب جدا شوند از این مواد استفاده می شود. ذرات کوانتمی: مطالعات در مورد ذرات کوانتمی در سال۱۹۷۰ شروع شد و در سال۱۹۸۰ این گروه از مواد نانوی نیمه هادی ساخته شدند. اگر ذرات این نیمه هادی ها به اندازه کافی کوچک شوند، تاثیرات کوانتمی ظاهر شده و می توانند میزان انرژی الکترونها و حفره ها را کاهش دهند. از آنجایی که انرژی با طول موج ارتباط مستقیم دارد در نتیجه خواص نوری مواد بصورت بسیار حساس قابل تنظیم خواهد شد و می توان با کنترل ذرات، جذب یا دفع طول موج خاص در یک ماده را امکان پذیر ساخت. به تازگی با ردگیری مولکولهای بیولوژی با کنترل سطح انرژی این ماده، کاربردهای جدیدی از آن کشف شده است. در حال حاضر استفاده از مواد نانو رو به افزایش است و به علت خواص بسیار ویژه آنها، تحقیقات در یافتن مواد جدید همچون گذشته ادامه دارد.
منبع: http://www.persianarticles.com<

نانو حسگرها

نانو حسگرها
حسگر چیست؟
حسگر یک وسیله ی الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری می کند وآنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها درواقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج وکسب اطلاعات محیطی ونیز داخلی می باشند، ویا به طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص ازخود واکنشهای پیش بینی شده ومورد انتظار نشان می دهند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین حسگرهایی دانست که بشرساخت .
ساختار کلی یک حسگر:
درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگرشیمیایی یا زیستی عنصرحسگر آن می باشد. عنصرحسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصرمسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی موردنظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیرآنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیمها ، گیرنده ها یا کل سلولها می توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گیرند.

خصوصیات حسگرها:
یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد :
1. سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونه ی هدف باشد.
2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند.
3. قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.
4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.
5. سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد. ( درحد میلی ثانیه )
6. عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما ، قدرت یونی محیط و …

نانوحسگرها
با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر،کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند.

انواع نانو حسگرها:
نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دسته ی نقاط کوانتومی ، نانولوله های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند:
1.استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها:
نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی ، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهنده ی نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.
2. استفاده ازنانولوله ها درتولید نانوحسگرها:
نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.
به طورکلی کاربرد نانو لوله ها در حسگرها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
الف ) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:
این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت ppm200 از NO2 قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند.
ب) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:
هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملا ً متناسب است. این اندازه گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می دهد. یا می توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصله ی میان نانولوله های کربنی وسیستم، نانولوله های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی های دینامیکی نشان می دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می تواند به وسیله ی پیوندهای واندروالس روی نانولوله ی کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله ها ی کربنی را نشان می دهد. تحقیق دراین زمینه هنوزدرحال توسعه وپیشرفت است ومطمئنا ً درآینده ای نه چندان دور شاهد به کارگیری آنها درابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود.
3.استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:
با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه ی کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینه ی نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.

نانو حسگرها و کنترل آلودگی هوا:
یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمرآلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت مؤثری در زمینه ی کنترل آلودگی هوا صورت گرفته است. یکی از این راهکارها اختراع غبارهای هوشمند می باشد. غبارهای هوشمند مجموعه ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیارسبک هستند که به راحتی ساعتها درهوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند ازطریق بی سیم موجود درخود اطلاعات موجود در خود را به یک پایگاه مرکزی منتقل کنند. سرعت این انتقال حدود یک کیلوبایت در ثانیه است. هم چنین حسگرهایی از جنس نانولوله های تک لایه ساخته شده اند که می توانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند و همچنین آنها قادر به شناسایی تعداد معدودی از گازهای مهلک موجود درمحیط هستند. محققان معتقدند این نانوحسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی و آلاینده های هوا کاربرد خواهند داشت.

مبارزه با انتشار گازهای سمی:
انتشار و پخش گازهای مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متأسفانه هشدار دهنده‌های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسائی این‌گونه گازهای نشتی می‌شوند. نانوحس‌گرها که از نانوتیوب‌های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده‌اند و می‌توانند مولکول‌های گازهای سمی را جذب کنند. آنها هم‌چنین قادر به شناسائی تعداد معدودی از مولکول‌های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی‌اند که این حس‌گرها برای شناسائی به هنگام گازهای بیوشیمیائی جنگی، آلاینده‌های هوا و حتی مولکول‌های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

جذابیت‌های نانوحسگرها
به 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.
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.
در بخش نظامی و امنیت ملی نیز 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.

آینده نگری:
می توان انتظار داشت که در آینده با ترکیب محرک ها و نانوحسگرها بتوان مواد هوشمندی ساخت که در فرآیندهای تولید سیستم های پیچیده نقش های مهمی ایفا کرده و فناوری جدید دیگری را پایه ریزی کنند. گرچه موانعی مانند افزایش قیمت، اطمینان پذیری از تاثیر آنها و نیز اطمینان از کاربرد آنها در زمینه های صلح آمیز نیز باید از سر راه برداشته شوند.
منابع:
http://www.daneshju.ir/forum/f332/t22061.html
http://forum.niksalehi.com/showthread.php?t=25020
http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=1281

جهان ریاضیات در فضای نانو

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

ـ تسریع روشهای شبیه سازی دینامیک مولکولی (Voter ۱۹۹۷)

ـ روشهای بهبود مش‌بندی تطبیق پذیر: کلید روشهای شبیه پیوسته که ترکیب کنندة مقیاسهای ماکروئی، مزوئی، اتمی ومدلهای مکانیک کوانتوم از طریق یک ابزار محاسباتی است (Tadmor, Philips, Ortiz)
ـ روشهای پیگردی فصل مشترک: نظیر روش نشاندن مرحله‌ای Sethian, Osher که در کدهای قلم زنی و رسوب‌گیری جهت طراحی شبه رساناها مؤثرند (Adalsteinsson, Sethian) و نیز در کدگذاری به منظور رشد هم بافت ها (Caflisch)
ـ روشهای حداقل کردن انرژی هم بسته با روشهای بهینه سازی غیر خطی (المانی کلیدی برای کد کردن پروتیئن‌ها) (Pierce& Giles)

ـ روشهای کنترل (مؤثر در مدلسازی رشد لایه نازک‌ها (Caflisch))

ـ روشهای چند شبکه‌بندی که امروزه در محاسبات ساختار الکترونی و سیالات ماکرومولکولی چند مقیاسی بکار گرفته شده است.
ـ روشهای ساختار الکترونی پیشرفته ، به منظور هدایت پژوهشها به سمت ابر مولکولها (Lee & Head – Gordon)
منبع:http://www.persianarticles.com

فناوری نانو چیست؟

فناوری نانو چیست؟
انوتکنولوژی، فناوری جدید است که تمام دنیا را فرا گرفته است و به تعبیر دقیقتر "نانوتکنولوژی بخشی از آینده نیست بکله همه آینده است" . در این نوشتار بعد از تعریف نانوتکنولوژی و بیان کاربردهای آن دلایل و ضرورتهای توجه به این فناوری آورده شده است:

تعریف نانوتکنولوژی و آشنایی با آن
نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر می¬شود. از همین تعریف ساده برمی¬آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. برای نانوتکنولوژی کاربردهایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل¬و¬نقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمرده اند.کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن ¬ آوری را به¬عنوان یک زمینه فرا رشته¬ای و فرابخش مطرح نموده است.
هر چند آزمایش¬ها و تحقیقات پیرامون نانوتکتولوژی از ابتدای دهه 80 قرن بیستم بطور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین، معجزه آسا و باورنکردنی نانوتکنولوژی در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر تمامی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهمترین اولویتهای تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب نمایند .
استفاده از این فن¬آوری در کلیه علوم پزشکی، پتروشیمی، علوم مواد، صنایع دفاعی، الکترونیک، کامپوترهای کوانتومی و غیره باعث شده که تحقیقات در زمینه نانو به¬عنوان یک چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد. لذا محققین، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در یک بسیج همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در خصوص این موضوع مشخص نمایند و با یک برنامه¬ریزی علمی دقیق و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی سالم در این جایگاه، عرض¬اندام و ابراز وجود نمایند و برای چنین کاری طراحی یک برنامه منسجم، فراگیر و همه جانبه اجتناب¬ناپذیر است.

نانوتکنولوژی و کاربردهای آن
علوم و فناوری نانو، عنصر ی اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه‌های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ی نده، همکاریهای تحقیقاتی میان‌رشته‌ا‌ی، آموزش خاص و انتقال ایده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی به¬شرح زیر می‌باشد:

1 – تولید ، مواد و محصولات صنعتی :
نانوتکنولوژی تغییر بنیانی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوک‌های ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقّت کنترل‌شده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگتر، که دارای خواص و کارکرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آنها، ایجاد می‌کند. محقّقین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نبوده‌است. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبک‌تر، قوی‌تر و قابل برنامه‌ریزی ؛ کاهش هزینة عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنّی ؛ ابزارهایی نوین بر پایة اصول و معماری جدید ؛ بکارگیری کارخانجات مولکولی یا خوشه‌ا‌ی که مزیّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

2- پزشکی و بدن انسان:
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستمهای زنده را اداره می‌کند. یعنی مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیست‌شناسی و شبیه‌سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.
• فراتر از سهل‌شدن استفادة بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می‌تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو ( Drug Delivery ) تهیه کند، که به‌نحو حیرت‌انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می‌دهد.
• مواد زیست‌سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعّال، می‌توان برای اعمال نقش تشخیصی (مثل ذرات کوانتومی که برای مرئی‌سازی بکار می‌رود) درون سلولها وارد نمود.
• افزایش توان محاسباتی بوسیلة نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکه‌های ماکرومولکولی را در محیط‌های واقعی ممکن می‌سازد. اینگونه شبیه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات کاشته‌شدة زیست‌سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.

3- دوام‌پذیری منابع: کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک:
نانوتکنولوژی چنان چ ه ذکر شد، منجر به تغییرات ی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پس ا ب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فنّاوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفادة مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواه ن د کرد. در زمینه محیط زیست ، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تأثیر قابل ملاحظه‌ا‌ی ، در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد ؛ در ایجاد و درمان مسائل زیست‌محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده‌ها ؛ در توسعة فنّاوری‌های "سبز" جدید که محصولات جانبی ناخواستة کمتری دارند و ی ا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از 200 نانومتر) و هوا (زیر 20 نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.
در زمینه انرژی ، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ا‌ی کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار د ا د ه مصرف انرژی را پایین بیاورد . به عنوان مثال، شرکتهای مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند که می‌تواند جایگزین اجزای فلزی بدنة اتومبیلها شود. استفاده گسترد ه ازاین نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند سالیانه 5/1 میلیارد لیتر صرفه‌جویی مصرف بنزین به ‌همراه داشته‌باشد .
یا انتظار می‌رود تغییرات عمده‌ا‌ی در فنّاوری روشنایی در 10 سال آینده رخ دهد. می‌توان نیمه‌هادی‌های مورد استفاده در دیودهای نورانی ( LED ها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در ا مریکا ، تقریبا" 20% کل برق تولیدی، صرف روشنایی (چه لامپهای التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) می‌شود. مطابق پیش‌بینی‌ها در 10 تا 15 سال آینده ، پیشرفتهایی از این دست می‌تواند مصرف جهانی را بیش از 10% کاهش دهد که 100 میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی و 200 میلیون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت .

4 - هوا ¬ و ¬ فضا :
محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریتهای طولانی به مناطق دور از خورشید ، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشکل را بوجود آورده‌است.
"نانوساختن" ( Nanofabrication ) همچنین در طرّاحی و ساخت مواد سبک‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنیاز برای هواپیماها، راکت‌ها، ایستگاههای فضایی و سکّوهای اکتشافی سیّاره‌ا‌ی یا خورشیدی، تعیین‌کننده است. همچنین استفادة روزافزون از سیستمهای کوچک‌شدة تمام خودکار، منجر به پیشرفتهای شگرفی در فنّاوری ساخت و تولید خواهدشد. این مسأله با توجه به اینکه محیط فضا، نیروی جاذبة کم و خلأ بالا دارد، موجب توسعة نانوساختارها و سیستمهای نانو – که ساخت آنها در زمین ممکن نیست- در فضا خواهدشد.

5- امنیت ملّی:
برخی کاربردهای دفاعی نانوتکنولوژی عبارتند از: تسلط اطّلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته بعنوان یک قابلیت مهم نظامی ، امکان آموزش مؤثّرتر نیرو، به کمک سیستمهای واقعیت مجازی پیچیده‌تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری ، استفادة بیشتر از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی ، دستیابی به کارآیی بالاتر (وزن کمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنه‌های نظامی و در عین‌حال تعداد دفعات نقص فنّی کمتر و ه ز ینة کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی ، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ا‌ی ، بهبود طرّاحی در سیستمهای مورد استفاده در کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاحهای هسته‌ا‌ی ، تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستمهای دفاع هسته‌ا‌ی . در بسیاری موارد، فرصتهای اقتصادی و نظامی مکمّل هم هستند. کاربردهای درازمدت نانوتکنولوژی در زمینه‌های دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملّی است و بالعکس.

6- کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک
ذخیره‌سازی اطلاعات در مقیاس فوق‌ العاده کوچک، با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد 1000 برابر یا بیشتر افزایش دهد و نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شود.
ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ ربع برسد، و این امر موجب می‌شود که ذخیره‌ سازی 50 عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری شود.
ساخت تراشه‌ها در اندازه¬های فوق¬العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه¬های 32 تا 90 نانو متر، تولید دیسک‌های نوری 100 گیگا بایتی در اندازه¬های کوچک نیز می¬باشد.

تاریخچه فناوری نانو در جهان
چهل سال پیش Richard Feynman ، متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، درسخنرانی معروف خود در سال 1959 با عنوان " آن پایین فضای بسیاری هست "( Ther is plenty of room in the bottom ) به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت. وی درآن زمان اظهار داشت : "اصول فیزیک، تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی¬زنند." او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفته¬اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه¬ها را با مقیاسهای کوچک بسازند، پس ما خواهیم توانست که آنها را کوچک و کوچک¬تر کنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقی¬شان در لبه¬های نامعلوم کوانتوم نزدیک خواهند بود به¬طوری که یک اتم را در مقابل دیگری به¬گونه¬ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد کنیم.

با استفاده از این فرمهای بسیار کوچک چه وسایلی می-توانیم ایجاد کنیم؟
Feynman در ذهن خود یک "دکتر مولکولی" تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصربه فرد کوچکتر است و می¬تواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلولها و یا انجام اعمال ترمیمی و به¬طور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد. در بحبوبه سالهای صنعتی کلمه "بزرگ" از اهمیت ویژه¬ای برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژه¬های مهندسی بزرگ و غیره حتی کامپیوترها در دهه 1950 تمام طبقات ساختمان را اشغال می-کردند. ولی از وقتی Feynman نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندی به¬سوی کوچک شدن در پیش گرفت.
Marvin Minsky تفکرات بسیار باروری داشت که می¬توانست به اندیشه¬های Feynman قوت ببخشد. Minsky پدر یابنده هوش¬های مصنوعی دهه 70-1960 جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده می¬شد، رهبری می¬کرد. در اواسط دهه 70 ، Eric Drexler که یک دانشجوی فارغ التحصیل بود، Minskey را به¬عنوان استاد راهنما جهت تکمیل پایان¬نامه¬اش انتخاب کرد و او نیز این مسئولیت را بر عهده گرفت. Drexler سبت به وسایل بسیار کوچک Feynman علاقه¬مند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناییهای آنها به کاوش بپردازد. Minskey نیز با وی موافقت کرد. Drexler در اوایل دهه 80، درجه استادی خود را در رشته علوم کامپیوتر دریافت کرده بود و گروهی از دانشجویان را به صورت انجمنی به دور خود جمع نموده بود. او افکار جوانترها را با یک سری ایده¬ها که خودش "نانوتکنولوژی" نامگذاری کرده، مشغول می¬داشت. Drexler اولین مقاله علمی خود را در مورد نانوتکنولوژی مولکولی (MNT) در سال 1981 ارایه داد. او کتاب Engin of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال 1986 به چاپ رساند. Drexler تنها درجه دکتری در نانوتکنولوژی را در سال 1991 از دانشگاه MIT دریافت داشت. او یک پیشرو در طرح نانوتکنولوژی است و هم¬اکنون رئیس استیتو Foresight و Research Fellow می¬باشد.

تعیین بودجه¬های کلان در کشورهای صنعتی برای تحقیقات در زمینه نانوتکنولوژی
بسیاری از کشورهای توسعه‌یافته و در حال توسعه (در حدود 30 کشور)، برنامه‌هایی را در سطح ملی برای پشتیبانی از فعالیتهای تحقیقاتی و صنعتی نانوتکنولوژی تدوین و اجرا می‌نمایند. زیرا نانوتکنولوژی به عنوان انقلابی در شرف وقوع، آینده اقتصادی کشورها و جایگاه آنها در جهان را تحت تأثیر جدی قرار خواهد داد و این مس أ له در این کشورها توسط صاحب‌نظران و محققان تبیین‌شده و برای مدیران اجرایی به صورت یک امر شفاف و قطعی درآمده است. در بخشی از این کشورها، در یکی دو سال اخیر تحرکات شدیدی از طرف دولتها برای سرعت بخشیدن به توسعه نانوتکنولوژی صورت گرفته و فعالیتهایی که تا قبل از این به صورت خودجوش توسط محققان انجام می‌گرفته است، با تشویق و حمایتهای مستقیم دولت ادامه یافته‌اند که در این قسمت نمودار ستونی میزان سرمایه گذاری دولتها آورده شده است:

اهمیت مطرح شدن طرح
همانگونه که اشاره شد بسیاری از کشورهای پیشرفته و در حال پیشرفت، برنامه‌هایی را برای پشتیبانی از فعالیتهای تحقیقاتی و صنعتی نانوتکنولوژی تدوین و اجرا می‌نمایند. اما یک سوال مهم برای کشور ما و بسیاری از کشورها که هنوز به نانوتکنولوژی به عنوان تمدن آینده علمی توجه کافی نکرده‌اند، این است که آیا باید با این روند همراه شد یا نه؟ توجه به فضای بسیار بزرگ و در حال ایجاد نانوتکنولوژی و حجم وسیع فعالیتهای مربوط به آن در دنیا، این باور را به انسان القاء می‌کند که دیر یا زود باید آینده را دید و برای ورود به آن اقدام نمود.
١1) ورود کشورها به عرصه نانوتکنولوژی اجتناب‌ناپذیر است.
بسیاری از صاحب‌نظران و محققان، نانوتکنولوژی را مساوی آینده دانسته‌اند. به عنوان نمونه کمیته مشاوران رئیس‌جمهور آمریکا در علوم و فناوری در تأیید برنامه ملی نانوتکنولوژی برای سال 2001، از نانوتکنولوژی به عنوان محور آینده جهان یاد می‌کند. به دلیل تأثیرات این فناوری بر اکثر فناوریهای موجود، عقیده صاحب‌نظران این است که متخصصان رشته‌های مختلف بدون گرایش به مباحث مقیاس نانو در دهه‌های آینده فرصتی برای رشد نخواهند داشت و شکوفایی بسیاری از فناوریهای مهم ازجمله فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی به عنوان دو دستاورد بسیار عظیم قرن بیستم بدون بهره‌گیری از نانوتکنولوژی دچار اختلال خواهند شد. از این جهت این مسئله برای دانشگاهیان، محققان و مسؤولان هر کشور امری حیاتی است.
2٢) دلایل اساسی ضرورت ورود کشور به عرصة نانوتکنولوژی
علاوه بر موضوع فوق، می‌توان دلایل زیر را برای اجتناب‌ناپذیری ورود کشورهایی چون ایران اقامه نمود:
١2-٢1) تاثیر اساسی نانوتکنولوژی در رشد و پیشرفت بسیاری از فناوریها
ماهیت فرارشته‌ای علوم و فناوری نانو به عنوان توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با دقت اتم و مولکول، موجب تعریف کاربردهای بسیاری زیادی در عرصه‌های مختلف علمی و صنعتی شده است. برای نانوتکنولوژی کاربردهای بسیاری را در حوزه‌های دارو و غذا و بهداشت، درمان بیماریها، محیط‌زیست، انرژی، الکترونیک، کامپیوتر و اطلاعات، مواد، ساخت و تولید، هوافضا، بیوتکنولوژی و کشاورزی و امنیت ملی و دفاع برشمرده‌اند. به همین دلیل بر تمام فناوریها تأثیر گذاشته و دیر یا زود باید شاهد محصولات آنها بود. به عنوان نمونه در بخش پزشکی و بهداشت، یک زمینه کاری بسیار مهم، سیستم توزیع دارو در داخل بدن می‌باشد. مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمی است در حالی که سلولهای خاصی از بدن نیازمند آن می‌باشند. در روش جدید دارو با وسایل ترزیق متفاوت با امروزه به صورت مستقیم به سمت سلولهای مشخص جهت‌گیری شده و دارو به محل نیاز تحویل داده می‌شود. با همین مکانیزم، بیماریهای بزرگ و کوچک در آغاز شکل‌گیری قابل تشخیص و درمان خواهند بود. یا در بخش مواد، پروژه‌هایی در دست کار می‌باشد که موادی با وزن بسیار کم و خواص بسیار مناسب تولید شوند. کاربرد این مواد در ساختمان، خودرو، هواپیما و بسیاری از ملزومات زندگی انسانها دیده خواهد شد. بنابراین عرصه بسیار وسیع نانوتکنولوژی که زندگی انسانها را نیز در برخواهد گرفت، خود القاءکننده این نتیجه خواهد بود که نمی‌توان به روی آن چشم بست.
٢2-٢2) تأثیر نانوتکنولوژی بر امنیت جهانی
از نظر دفاعی، نانوتکنولوژی برای کشورها، هم فرصت است هم تهدید. به لحاظ کاربردهای بسیار زیادی که این فناوری می‌تواند در امور نظامی داشته باشد، گرایش زیادی در بخش دفاعی کشورها به تحقیق و توسعه نانوتکنولوژی صورت گرفته است. این کاربردها از لباسهای مانع خطر تا پرنده‌های بسیار کوچک، تجهیزات اطلاعاتی و بسیاری موارد دیگر است که هم‌اکنون با حمایت وزارتخانه‌های دفاع کشورهایی چون آمریکا، ژاپن و برخی کشورهای اروپایی به صورت پروژه‌های تحقیقاتی در حال انجام هستند. از این جهت این فناوری برای کشورها یک تهدید محسوب می‌شود. اما برای کشورهایی که بتوانند با استفاده از روند موجود، جایگاهی را در آینده امنیت جهانی برای خود در نظر بگیرند، یک فرصت خواهد بود. با توجه به اینکه این کاربردها بسیار متنوع هستند، هر کشوری می‌تواند زمینه‌ای را برای پیشگامی در جهان سهم خود نماید و در آینده رقابتهای بین‌المللی نقشی داشته باشد.
2٣-٢3) شکل‌گیری بازارهای بسیار بزرگ
شواهد موجود نشان می‌دهد که درصد بالایی از بازارهای محصولات مختلف متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود و به همین دلیل دولتها و شرکتهای بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روکو، رئیس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاست‌جمهوری آمریکا طی مقاله‌ای در ماه می سال 2001، پتانسیل نانوتکنولوژی برای تغییر چشمگیر در اقتصاد جهانی را یادآوری نموده است. بر مبنای پیش‌بینی وی و بخش دیگری از صاحب‌نظران در ده الی 15 سال آینده نانوتکنولوژی بازار نیمه‌هادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد. خبرهایی نیز که اخیراً از شرکتهای اصلی سازنده پردازنده‌های کامپیوتر در آمریکا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده‌های حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا قبل از 10 سال آینده حکایت دارد. به عنوان مثال شرکت اینتل اعلام نموده است که در سال 2007 پردازنده‌های متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بسیار بیشتر و مصرف کمتر نسبت به آخرین دستاوردهای امروزی نیمه‌هادی‌ها وارد بازار خواهد کرد.
در بخش دارو نیز پیش‌بینی شده است تا 10 الی 15 سال آینده نیمی از این صنعت متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود که خود نیاز به وسایل تزریق جدید و آموزشهای پزشکی روزآمد خواهد داشت یا در مورد موادشیمیایی، فقط ذکر بازار 100 میلیارد دلاری کاتالیستها که تا 10 سال آینده به طور کامل متکی بر کاتالیستهای نانوساختاری خواهد بود برای نشان دادن اهمیت بحث کافی است. از هم‌اکنون بازار بزرگی برای بکارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شکل‌گیری است. موادی که می‌توانند خواص جدید و فوق‌العاده‌ای به محصولات موجود بخشیده و موجب کاهش قیمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولوله‌های کربنی ( Carbon Nanotubes ) با وزن بسیار کمتر و استحکام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تاثیر قرار خواهد داد.
در کنار این پیش‌بینی‌ها، این سؤال باید مطرح شود که جایگاه کشورهایی که به نانوتکنولوژی دسترسی ندارند، در بازارهای آینده و اقتصاد جهانی چه خواهد بود. با توجه به اینکه سهم هر کشور یا بنگاه در زمان شکل‌گیری یک بازار تثبیت می‌شود، زمان سرمایه‌گذاری برای رسیدن به جایگاه مناسب، همین امروز است.
منابع :
• سایت کمیته مطالعات سیاست نانوتکنولوژی. www.irannano.org
• نانوتکنولوژی، آیئنه تکنولوژی آفرینش، انجمن علمی دانشجویی دانشکده فنی دانشگاه تهران.
• سیاستگذاری علم و تکنولوژی (مطالعه موردی نانوتکنولوژی در ایران)، دکتر قاضی نوری.
• مجموعه مقالات 0 اولین همایش نانوتکنولوژی، کمیته مطالعات سیاست نانوتکنولوژی.
• پیام دکتر عارف به اولین همایش نانوتکنولوژی، اسفند 1380.
برگرفته از :http://www.autnano.org
تکنولوژی نانو http://daneshnameh.roshd.ir
فناوری نانو چیست؟ http://www.autoir.com

اندازه‌گیری دقیق فشارهای نانومتری در مواد

اندازه‌گیری دقیق فشارهای نانومتری در مواد
یک تیم از محققان مؤسسه‌ی ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) توانستند مقادیر بسیار اندک فشار و کشش را در مناطق کوچکی از یک ابزار نیمه‌هادی به پهنای 10 نانومتر اندازه بگیرند. نتایج اخیر این محققان، نه تنها طراحی نسل بعدی مدارهای مجتمع را تحت تأثیر قرار خواهد داد، بلکه به اختلاف نظرهای دیرینه در مورد نتایج روش‌های متفاوت اندازه‌گیری فشار در نیمه‌هادی‌ها پایان خواهد داد.
فشار و کشش مکانیکی در نیمه‌هادی‌ها و دیگر وسایل، ناشی از وجود اتم‌هایی در شبکه مولکولی است که نسبت به حالت عادی خود دچار فشار یا کشش شده باشند. این یک پدیده‌ی پیچیده است که البته همیشه مضر نیست. فشار در ساختار دیودهای نورافشان (LED) و لیزرها می‌تواند باعث تغییر رنگ نور خروجی و کاهش عمر ابزار گردد. فشار در سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) نیز می‌تواند منجر به شکست و خمش گردد.
از سوی دیگر، اعمال عمدی فشار در میکرومدارهای مدرن می‌تواند منجر به افزایش سرعت ترانزیستور گردد، بدون اینکه نیاز به تغییر در طراحی ترانزیستور باشد. فیزیکدان NIST، روبرت کوک می‌گوید: "مهندسی فشار موجب شده است که کارایی ادوات در صنعت نیمه‌هادی، بیش از حد انتظار و با هزینه‌ی بسیار اندک افزایش یابد."
اما شکی نیست که فشار چه از نوع خوب و چه از نوع بد، نیاز به اندازه‌گیری دارد، تا بتوان آن را در کنترل درآورد. اما هرچه اندازه‌ی میکرومدارها کوچک‌تر شود، اندازه‌گیری فشار هم سخت‌تر می‌شود، به‌خصوص که دو روش متفاوت و پرکاربرد اندازه‌گیری فشار، نتایج متفاوتی را به دست می‌دهند.
در روش اول، که موسوم به تفرق الکترون‌های بازگشتی (EBSD) است، فشار بر ساختار بلوری، به روش ارزیابی الگوی الکترون‌های برگشتی از صفحات بلوری اندازه‌گیری می‌شود. اما در روش دوم یا میکروسکپی رامان هم‌کانونی (CRM) اندازه‌گیری فشار بر مبنای تغییر در فرکانس فوتون‌هایی است که با پیوندهای اتمی در بلور تعامل دارند؛ یعنی تغییر فرکانس وابسته به میزان فشاری است که بر پیوندها وارد شده است.
تیم تحقیقاتی NIST از نسخه‌ی بهینه شده و بسیار حساس هر دو روش استفاده کردند تا با اندازه‌گیری‌های مقایسه‌ای بتوانند اختلاف‌ها را رفع کنند.
نکته‌ی اصلی که از مطالعات آنها روشن شد، عمق نفوذ دو تکنیک بود. پرتوهای الکترونی فقط تا عمق 20 تا 30 نانومتری ماده نفوذ می‌کرد، در صورتی که فوتون‌های لیزری در روش رامان ممکن است تا عمق یک میکرومتر یا حتی بیشتر نفوذ کند. محققان NIST دریافتند که با تغییر طول موج فوتون‌های رامان و تعیین نقطه تمرکز (فوکوس) میکروسکوپ می‌توانند عمق نفوذ و اندازه‌گیری در روش رامان را تعیین کنند؛ و هرگاه که این عمق در حد لایه‌های بالایی بلور تنظیم می‌شد، نتایج با آنچه از روش EBSD به دست می‌آمد سازگار بود.
به این ترتیب مشخص شد که روش EBSD فشارهای نزدیک به سطح را به دست می‌دهد، درحالی‌که با روش رامان می‌توان پروفایل‌های فشار را برای اعماق بیشتری از ماده به دست آورد.
مطالعات این گروه همچنین امکان استفاده‌ی ترکیبی از دو تکنیک را نشان داد تا با این روش بتوان اندازه‌گیری‌های دقیق تری از فشار در سیلیکون ارائه داد، که می‌تواند منجر به بهبود مواد و فرایندها در ساخت ادوات الکترونیکی شود.
نتایج این تحقیق در مجله‌ی Applied Physics Letters منتشر شده است.
منبع: نانو تکنولوژی

جهان ریاضیات در فضای نانو

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

ـ تسریع روشهای شبیه سازی دینامیک مولکولی (Voter ۱۹۹۷)

ـ روشهای بهبود مش‌بندی تطبیق پذیر: کلید روشهای شبیه پیوسته که ترکیب کنندة مقیاسهای ماکروئی، مزوئی، اتمی ومدلهای مکانیک کوانتوم از طریق یک ابزار محاسباتی است (Tadmor, Philips, Ortiz)
ـ روشهای پیگردی فصل مشترک: نظیر روش نشاندن مرحله‌ای Sethian, Osher که در کدهای قلم زنی و رسوب‌گیری جهت طراحی شبه رساناها مؤثرند (Adalsteinsson, Sethian) و نیز در کدگذاری به منظور رشد هم بافت ها (Caflisch)
ـ روشهای حداقل کردن انرژی هم بسته با روشهای بهینه سازی غیر خطی (المانی کلیدی برای کد کردن پروتیئن‌ها) (Pierce& Giles)

ـ روشهای کنترل (مؤثر در مدلسازی رشد لایه نازک‌ها (Caflisch))

ـ روشهای چند شبکه‌بندی که امروزه در محاسبات ساختار الکترونی و سیالات ماکرومولکولی چند مقیاسی بکار گرفته شده است.
ـ روشهای ساختار الکترونی پیشرفته ، به منظور هدایت پژوهشها به سمت ابر مولکولها (Lee & Head – Gordon)
منبع:ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

کا ربرد نانو تکنولوژی در پزشکی

کا ربرد نانو تکنولوژی در پزشکی
یک باکتری مغناطیسی می تواند در امتداد میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد و مطابق با آن بالا یا پایین برود تا مقصد مورد نظرش را پیدا کند.
در سال 1966 فیلمی تخیلی با عنوان «سفر دریایی شگفت انگیز» اهالی سینما را به دیدن نمایشی جسورانه از کاربرد نانوتکنولوژی در پزشکی میهمان کرد. گروهی از پزشکان جسور و زیردریایی پیشرفته شان با شیوه ای اسرارآمیز به قدری کوچک شدند که می توانستند در جریان خون بیمار سیر کنند و لخته خونی را در مغزش از بین ببرند که زندگی او را تهدید می کرد. با گذشت 36 سال از آن زمان، برای ساختن وسایل پیچیده حتی در مقیاس های کوچک تر گام های بلندی برداشته شده است. این امر باعث شده برخی افراد باور کنند که چنین دخالت هایی در پزشکی امکان پذیر است و روبات های بسیار ریز قادر خواهند بود در رگ های هر کسی سفر کنند.
همه جانداران از سلول های ریزی تشکیل شده اند که خود آنها نیز از واحدهای ساختمانی کوچک تر در حد نانومتر (یک میلیاردم متر) نظیر پروتئین ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک تشکیل شده اند. از این رو، شاید بتوان گفت که نانوتکنولوژی به نحوی در عرصه های مختلف زیست شناسی حضور دارد. اما اصطلاح قراردادی «نانوتکنولوژی» به طور معمول برای ترکیبات مصنوعی استفاده می شود که از نیمه رساناها، فلزات، پلاستیک ها یا شیشه ساخته شده اند. نانوتکنولوژی از ساختارهایی غیرآلی بهره می گیرد که از بلورهای بسیار ریزی در حد نانومتر تشکیل شده اند و کاربردهای وسیعی در زمینه تحقیقات پزشکی، رساندن داروها به سلول ها، تشخیص بیماری ها و شاید هم درمان آنها پیدا کرده اند.
در برخی محافل نگرانی های شدیدی در مورد جنبه منفی این فناوری به وجود آمده است؛ آیا این نانوماشین ها نمی توانند از کنترل خارج شده و کل جهان زنده را نابود کنند؟
با وجود این به نظر می رسد فواید این فناوری بیش از آن چیزی باشد که تصور می رود. برای مثال، می توان با بهره گیری از نانوتکنولوژی وسایل آزمایشگاهی جدیدی ساخت و از آنها در کشف داروهای جدید و تشخیص ژن های فعال تحت شرایط گوناگون در سلول ها، استفاده کرد. به علاوه، نانوابزارها می توانند در تشخیص سریع بیماری ها و نقص های ژنتیکی نقش ایفا کنند.
طبیعت نمونه زیبایی از سودمندی بلورهای غیرآلی را در دنیای جانداران ارائه می کند. باکتری های مغناطیسی، جاندارانی هستند که تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین قرار می گیرند. این باکتری ها فقط در عمق خاصی از آب یا گل ولای کف آن رشد می کنند. اکسیژن در بالای این عمق بیش از حد مورد نیاز و در پایین آن بیش از حد کم است. باکتری ای که از این سطح خارج می شود باید توانایی شنا کردن و برگشت به این سطح را داشته باشد. از این رو، این باکتری ها مانند بسیاری از خویشاوندان خود برای جابه جا شدن از یک دم شلاق مانند استفاده می کنند. درون این باکتری ها زنجیره ای با حدود 20 بلور مغناطیسی وجود دارد که هر کدام بین 35 تا 120 نانومتر قطر دارند. این بلورها در مجموع یک قطب نمای کوچک را تشکیل می دهند. یک باکتری مغناطیسی می تواند در امتداد میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد و مطابق با آن بالا یا پایین برود تا مقصد مورد نظرش را پیدا کند.
این قطب نما اعجاز مهندسی طبیعت در مقیاس نانو است. اندازه بلورها نیز مهم است. هر چه ذره مغناطیسی بزرگ تر باشد، خاصیت مغناطیسی اش مدت بیشتری حفظ می شود. اما اگر این ذره بیش از حد بزرگ شود خود به خود به دو بخش مغناطیسی مجزا تقسیم می شود که خاصیت مغناطیسی آنها در جهت عکس یکدیگرند. چنین بلوری خاصیت مغناطیسی کمی دارد و نمی تواند عقربه کارآمدی برای قطب نما باشد. باکتری های مغناطیسی قطب نماهای خود را فقط از بلورهایی با اندازه مناسب می سازند تا از آنها برای بقای خود استفاده کنند. جالب است که وقتی انسان برای ذخیره اطلاعات روی دیسک سخت محیط هایی را طراحی می کند دقیقاً از این راهکار باکتری ها پیروی می کند و از بلورهای مغناطیسی در حد نانو و با اندازه ای مناسب استفاده می کند تا هم پایدار باشند و هم کارآمد.
محققان در تلاش هستند تا از ذرات مغناطیسی در مقیاس نانو برای تشخیص عوامل بیماری زا استفاده کنند. روش این محققان نیز مانند بسیاری از مهارت هایی که امروزه به کار می رود به آنتی بادی های مناسبی نیاز دارد که به این عوامل متصل می شوند. ذرات مغناطیسی مانند برچسب به مولکول های آنتی بادی متصل می شوند. اگر در یک نمونه، عامل بیماری زای خاصی مانند ویروس مولد ایدز مد نظر باشد، آنتی بادی های ویژه این ویروس که خود به ذرات مغناطیسی متصل هستند به آنها می چسبند. برای جدا کردن آنتی بادی های متصل نشده، نمونه را شست وشو می دهند. اگر ویروس ایدز در نمونه وجود داشته باشد، ذرات مغناطیسی آنتی بادی های متصل شده به ویروس، میدان های مغناطیسی تولید می کنند که توسط دستگاه حساسی تشخیص داده می شود. حساسیت این مهارت آزمایشگاهی از روش های استاندارد موجود بهتر است و به زودی اصلاحات پیش بینی شده، حساسیت را تا چند صد برابر تقویت خواهد کرد.
دنیای پیشرفته الکترونیک پر از مواد پخش کننده نور است. برای نمونه هر CDخوان، CD را با استفاده از نوری می خواند که از یک دیود لیزری می آید. این دیود از یک نیمه رسانای غیرآلی ساخته شده است. هر تصویر، قسمت کوچکی از یک CD به اندازه یک مولکول پروتئین (در حد نانومتر) را می کند. در نتیجه این عمل یک نانو بلور نیمه رسانا یا به اصطلاح تجاری یک «نقطه کوانتومی» ایجاد می شود.
فیزیکدانانی که برای اولین بار در دهه 1960 نقاط کوانتومی را مطالعه می کردند معتقد بودند که این نقاط در ساخت وسایل الکترونیکی جدید و وسایل دید استفاده خواهند شد. تعداد انگشت شماری از این محققان ابراز می کردند که از این یافته ها می توان برای تشخیص بیماری یا کشف داروهای جدید کمک گرفت و هیچ کدام از آنان حتی در خواب هم نمی دیدند که اولین کاربردهای نقاط کوانتومی در زیست شناسی و پزشکی باشد.
نقاط کوانتومی قابلیت های زیادی دارند و در موارد مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از کاربردهای این نقاط نیمه رسانا در تشخیص ترکیبات ژنتیکی نمونه های زیستی است. اخیراً برخی محققان روش مبتکرانه ای را به کار بردند تا وجود یک توالی ژنتیکی خاص را در یک نمونه تشخیص دهند. آنان در طرح خود از ذرات طلای 13 نانومتری استفاده کردند که با DNA (ماده ژنتیکی) تزئین شده بود. این محققان در روش ابتکاری خود از دو دسته ذره طلا استفاده کردند. یک دسته، حامل DNA بود که به نصف توالی هدف متصل می شد و DNA متصل به دسته دیگر به نصف دیگر آن متصل می شد. DNA هدفی که توالی آن کامل باشد به راحتی به هر دو نوع ذره متصل می شود و به این ترتیب دو ذره به یکدیگر مربوط می شوند. از آنجا که به هر ذره چندین DNA متصل است، ذرات حامل DNA هدف می توانند چندین ذره را به یکدیگر بچسبانند. وقتی این ذرات طلا تجمع می یابند خصوصیاتی که باعث تشخیص آنها می شود به مقدار چشم گیری تغییر می کند و رنگ نمونه از قرمز به آبی تبدیل می شود. چون که نتیجه این آزمایش بدون هیچ وسیله ای قابل مشاهده است می توان آن را برای آزمایش DNA در خانه نیز به کار برد.
هیچ بحثی از نانوتکنولوژی بدون توجه به یکی از ظریف ترین وسایل در علوم امروزی یعنی میکروسکوپ اتمی کامل نمی شود. روش این وسیله برای جست وجوی مواد مانند گرامافون است. گرامافون، سوزن نوک تیزی دارد که با کشیده شدن آن روی یک صفحه، شیارهای روی آن خوانده می شود. سوزن میکروسکوپ اتمی بسیار ظریف تر از سوزن گرامافون است به نحوی که می تواند ساختارهای بسیار کوچک تر را حس کند. متاسفانه، ساختن سوزن هایی که هم ظریف باشند و هم محکم، بسیار مشکل است. محققان با استفاده از نانو لوله های باریک از جنس کربن که به نوک میکروسکوپ متصل می شود این مشکل را حل کردند. با این کار امکان ردیابی نمونه هایی با اندازه فقط چند نانومتر فراهم شد. به این ترتیب، برای کشف مولکول های زنده پیچیده و برهم کنش هایشان وسیله ای با قدرت تفکیک بسیار بالا در اختیار محققان قرار گرفت.
این مثال و مثال های قبل نشان می دهند که ارتباط بین نانوتکنولوژی و پزشکی اغلب غیرمستقیم است به نحوی که بسیاری از کارهای انجام شده، در زمینه ساخت یا بهبود ابزارهای تحقیقاتی یا کمک به کارهای تشخیصی است. اما در برخی موارد، نانوتکنولوژی می تواند در درمان بیماری ها نیز مفید باشد. برای مثال می توان داروها را درون بسته هایی در حد نانومتر قرار داد و آزاد شدن آنها را با روش های پیچیده تحت کنترل در آورد. یکی از نانوساختارهایی که برای ارسال دارو یا مولکول هایی مانند DNA به بافت های هدف ساخته شده، «دندریمر»ها هستند. این مولکول های آلی مصنوعی با ساختارهای پیچیده برای اولین بار توسط «دونالد تومالیا» ساخته شدند. اگر شاخه های درختی را در یک توپ اسفنجی فرو ببرید به نحوی که در جهت های مختلف قرار گیرند می توان شکلی شبیه یک مولکول دندریمر را ایجاد کرد. دندریمرها مولکول هایی کروی و شاخه شاخه هستند که اندازه ای در حدود یک مولکول پروتئین دارند. دندریمرها مانند درختان پرشاخه و برگ دارای فضاهای خالی هستند، یعنی تعداد زیادی حفرات سطحی دارند.
دندریمرها را می توان طوری ساخت که فضاهایی با اندازه های مختلف داشته باشند. این فضاها فقط برای نگه داشتن عوامل درمانی هستند. دندریمرها بسیار انعطاف پذیر و قابل تنظیم اند. همچنین آنها را می توان طوری ساخت که فقط در حضور مولکول های محرک مناسب، خود به خود باد کنند و محتویات خود را بیرون بریزند. این قابلیت اجازه می دهد تا دندریمرهای اختصاصی بسازیم تا بار دارویی خود را فقط در بافت ها یا اندام هایی آزاد کنند که نیاز به درمان دارند. دندریمرها می توانند برای انتقال DNA به سلول ها جهت ژن درمانی نیز ساخته شوند. این شیوه نسبت به روش اصلی ژن درمانی یعنی استفاده از ویروس های تغییر ژنتیکی یافته بسیار ایمن تر هستند.
همچنین محققان ذراتی به نام نانوپوسته ساخته اند که از جنس شیشه پوشیده شده با طلا هستند. این نانوپوسته ها می توانند به صورتی ساخته شوند تا طول موج خاصی را جذب کنند. اما از آنجا که طول موج های مادون قرمز به راحتی تا چند سانتی متر از بافت نفوذ می کنند، نانوپوسته هایی که انرژی نورانی را در نزدیکی این طول موج جذب می کنند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. بنابراین، نانوپوسته هایی که به بدن تزریق می شوند می توانند از بیرون با استفاده از منبع مادون قرمز قوی گرما داده شوند. چنین نانوپوسته هایی را می توان به کپسول هایی از جنس پلیمر حساس به گرما متصل کرد. این کپسول ها محتویات خود را فقط زمانی آزاد می کنند که گرمای نانوپوسته متصل به آن باعث تغییر شکلش شود.
یکی از کاربردهای شگرف این نانوپوسته ها در درمان سرطان است. می توان نانوپوسته های پوشیده شده با طلا را به آنتی بادی هایی متصل کرد که به طور اختصاصی به سلول های سرطانی متصل می شوند. از لحاظ نظری اگر نانوپوسته ها به مقدار کافی گرم شوند می توانند فقط سلول های سرطانی را از بین ببرند و به بافت های سالم آسیب نرسانند. البته مشکل است بدانیم آیا نانوپوسته ها در نهایت به تعهد خود عمل می کنند یا نه. این موضوع برای هزاران وسیله ریز دیگری نیز مطرح است که برای کاربرد در پزشکی ساخته شده اند.
محققان از نانوتکنولوژی در ساخت پایه های مصنوعی برای ایجاد بافت ها و اندام های مختلف نیز استفاده کرده اند. محققی به نام «ساموئل استوپ» روش نوینی ابداع کرده است که در آن سلول های استخوانی را روی یک پایه مصنوعی رشد می دهد. این محقق از مولکول های مصنوعی استفاده کرده است که با رشته هایی ترکیب می شوند که این رشته ها برای چسباندن به سلول های استخوانی تمایل بالایی دارند. این پایه های مصنوعی می توانند فعالیت سلول ها را هدایت کنند و حتی می توانند رشد آنها را کنترل کنند. محققان امیدوارند سرانجام بتوانند روش هایی بیابند تا نه فقط استخوان، غضروف و پوست بلکه اندام های پیچیده تر را با استفاده از پایه های مصنوعی بازسازی کنند.
به نظر می رسد برخی از اهدافی که امروزه در حال تحقق هستند در آینده ای نزدیک توسط پزشکان به کار گرفته شوند. جایگزینی قلب، کلیه یا کبد با استفاده از پایه های مصنوعی شاید با فناوری که در فیلم سفر دریایی شگفت انگیز نشان داده شد، متناسب نباشد اما این تصور که چنین درمان هایی در آینده ای نه چندان دور به واقعیت بپیوندند بسیار هیجان انگیز است. حتی هیجان انگیزتر اینکه امید است محققان بتوانند با تقلید از فرآیندهای طبیعی زیست شناختی، واحدهایی در مقیاس نانو تولید کنند و از آنها در ساخت ساختارهای بزرگ تر بهره گیرند. چنین ساختارهایی در نهایت می توانند برای ترمیم بافت های آسیب دیده و درمان بسیاری از بیماری ها به کار روند.

محلولهای مغناطیسی نانو

محلولهای مغناطیسی نانو

محلول‌های مغناطیسی یکی از شاخه‌های فناوری نانو است که کمتر از دیگر شاخه‌های نانو به آن پرداخته شده‌است، ولی به تازگی کاربردهای جدیدی برای آن یافت شده است.
محلول‌های مغناطیسی (Ferro fluid) از ذرات بسیار ریز کلوییدی ( درحدود۱۰۰ - ۱۰ نانومتر ( m ۹- ۱۰) ) از جنس فلزاتی که خاصیت مغناطیسی دارند(مانند آهن و کبالت) به حالت سوسپانسیون در مایعی ، ساخته میشوند . پخش‌ کردن ذرات در مایع را می توان به کمک یک واکنش شیمیایی انجام ‌داد. ذرات پخش شده در مایع به علت ریز بودن به صورت کلوئیدی هستند ولی پس از گذشت مدت زمان نسبتاً کوتاهی به هم پیوسته و ذرات بزرگتری را تشکیل می‌دهند ، که در ا ین صورت حالت کلوییدی آن از بین رفته ، ذرات در محلول ته ‌نشین شده و خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند .
هر قدر که ذرات ریزتر باشند ، محلول خاصیت مغناطیسی بهتری از خود نشان می‌دهد. به این علت است که در هنگام تولید ، موادی با نام ” سورفاکتانت ” به محلول اضافه می‌شود که روی دیواره‌های آن را می پوشاند و مانع از به هم پیوستن و بزرگ شدن ذرات می‌شود و ذرات با گذشت زمان خاصیت خود را از دست نمی‌دهند.

سورفکتانت ها :

کلمه سورفکتانت مخلوطی از “Surface active agent “ می باشد . سورفکتانتها معمولا ترکیباتی آلی هستند که دارای گروههای آبدوست که نقش دم و دنباله را دارد و گروههای آبگریز که نقش سر را دارد می باشند بنابراین معمولا به طور ناچیز در آب و حلالهای آلی حل می شوند.
وجود طبیعت دوگانه سبب ویژگیهای خاصی در این مولکول ها می شود به طوریکه می توانند در آب حل شده و در سطح مشترک آب – هوا یا بین دو سطح از دوفاز مختلف تجمع یافته و سبب کاهش کشش سطحی شوند. به طور نمونه در مورد بالاسورفکتانت ها ، از یکی از دو سرشان به کلویید متصل شده و از سر دیگر به محلول نزدیک اند، بنابراین سرهایی که در محلول قرار دارند همنام بوده و سبب دافعه بین کلوییدها می شود . در نتیجه از تجمع و به هم پیوستن آنها ممانعت نموده و محلول خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کند.
سورفکتانتها نقش مهمی در بسیاری از کاربرد ها عملی و محصولات بازی میکند مثلا : شونده ها - امولسیون کننده ها - جوهر سازی - کف سازی و ….سورفکتانتها معمولا بوسیله گروههای باردار تقسیم بندی می شوند . سورفکتانتهای غیریونی در قسمت سر خود بی بار هستند. اگر بار منفی باشد سورفکتانت آنیونی و اگر مثبت بود سورفکتانت کاتیونی داریم .. گاهی قسمت سر دارای هر دو بار منفی و مثبت است که به آن آمفوتریک گوئیم .
یک Ferro fluid معمولی ، از %۵ جامد مغناطیسی ، %۱۰ سورفاکتانت و % ۸۵ مایع تشکیل شده است. در عصر حاضر نانو تکنولوژی خدمت بسیاری به بشر کرده‌است . در شیمی ، در فیزیک و . . . همچنین در زمینه‌های پزشکی که با ساخت وسایل گوناگون در زمینه‌ی درمان ، انسانها را یاری کرده‌ است . نظریا تی وجود دارد مبنی بر اینکه به کمک این محلول می ‌توان کپسولهایی ساخت و دا روهایی را که برای بخشی از بدن مضر و برای بخشی دیگر مفید است ، به راحتی به محل مورد نظر برسانیم . با این روش که کپسولهایی از این جنس را پراز داروی مورد نظر کنیم و به وسیله‌ی آهنربا به محل مورد نظر برسانیم و در آنجا آنرا تخلیه کنیم .
در چند ساله‌ی اخیر دانشمندان به این عقیده رسیده‌اند که به کمک وارد کردن ا ین محلول به بدن می‌توان سلولهای سرطانی و یا ویروسها ( مثلا ایدز) را از بدن خارج کرد، به صورتی که ا ین ماده آنتی بادی (Anti body) موجود در خون را ( به وسیله بار مثبت آنها ) جذب کرده و آنتی بادی ها هم ویروسها را جذب میکنند که با خارج کردن Ferro fluid به وسیله آهنربا میتوان ویروسها را خارج کرد. ولی متأسفانه هنوز به مرحله‌ی عملی نرسیده‌است.
به غیر از استفاده‌های پزشکی ذکر شده در بالا استفاده‌های صنعتی هم برای این ماده ذکر شده‌است. مثلا در چیپهای مخصوص برای حرکت دا دن یک سیال مشکلاتی وجود دارد چون موتورهایی در آن اندازه‌ی ریز وجود ندارد و اگر هم وجود دارد بسیار پرهزینه است. اما با اضافه کردن مقداری از ا ین محلول به آن سیال می‌توان با نیروی مغناطیسی آن سیال را به حرکت در آورد. مورد دیگر استفاده از این ماده در بلند گو های پر قدرت است .این محلول خاصیت خود را در دماهای بالا ، مثلا در °C ۲۰۰ یا در دماهای پایین ، مثلا در °C ۵۰- و یا در برابر امواج هسته ای حفظ می کند .
منبع :
:www.nanoclub.ir
http://www.academist.ir