صدرا - نانو تکنولوژی

ان فی اختلاف اللیل و النهار وما خلق الله فی السماوات والارض لایات لقوم یتقون - خداوند بیهوده نیافرید

نانولوله کاغذي بسازيمدر مقاله «نانولوله هاي کربني» خوانديد که ساختار نانولوله هاي کربني مانند يک صفحه گرافيت است که دو سر آن به هم متصل شده و يک استوانه ساخته اند. همانطور که ديديد، دو سر صفحه گرافيت را به سه شکل مختلف مي توان به هم متصل نمود، بنابراين سه نوع نانولوله خواهيم داشت:
1- نوع زيگزاگ
اتمهاي متصل به هم در اين نوع شکل زيگزاگ را پديد مي آورند:

2- نوع صندلي
در اين نوع، اتم ها طوري به يکديگر اتصال يافته اند که فرم صندلي را براي ما تداعي مي کنند:

3- نوع نامتقارن
رديف هاي اتمي در اين نوع نانولوله به صورت اريب قرار مي گيرند، بنابراين اگر اين نانولوله را مقابل آينه قرار دهيد، تصويري متفاوت از اصل را خواهيد ديد و به همين علت هم ، نامتقارن نام گرفته است:

براي انجام بازي «تقارن آينه اي» به آدرس زير سري بزنيد:

http://nobelprize.org/chemistry/educational/chiral/

و براي اين که عکس هاي واقعي از نانولوله هاي کربني را ببينيد به نشاني زير مراجعه کنيد:

http://www.ipt.arc.nasa.gov/gallery.html

براي ساختن نانولوله هاي گفته شده در بالا با کاغذ، صفحات زير را داونلود کنيد. اين صفحات ساختار شش ضلعي هاي منتظم اتمهاي کربن را نشان مي دهد. براي ساختن نانولوله ها، صفحات را طوري به يکديگر بچسبانيد که کلمات «زيگزاگ»، «صندلي» و «نامتقارن» کامل شوند.
• نوع صندلي
• نوع نامتقارن
• نوع زيگزاگ

چرا نانو پودرها

در تعريف نانوپودرها ذكر شد که مهمترين ويژگي آنها، ريزي ذرات تشكيل‌دهنده است. وقتي ما يك قطعه را چند قسمت مي‌كنيم، حجم كل ثابت مي‌ماند، يعني حجم قطعه‌ي اوليه دقيقاً برابر است با جمع حجم تكه‌هاي تقسيم‌شده. اما در طيّ اين فرآيند، مجموع سطح بيرونيِ تكه‌ها چندبرابرِ سطح بيروني قطعه‌ي اوليه خواهد شد.

محدوديت نانوپودرها
محدويت نانوپودرها نيز از زياد بودن سطح آزاد آنها ناشي مي‌شود. در واقع، ذرات مثل براده‌هاي آهنربا تمايل دارند به همديگر بچسبند تا دوباره شكل اوليه‌ي خود را به دست آورند. وقتي ما اندازه‌ي ذرات پودر را به نانومتر مي رسانيم، اين تمايل به‌شدت زياد مي‌شود، تا جايي كه ممكن است به صورت ناگهاني به هم بچسبند. براي رفع اين مشكل بايد ذرات پودر را از همديگر جدا نگاه داشت تا به هم نچسبند. اين كار از طريق محلول‌سازي پودرها، مانند حلّ نمك و آهن يا اضافه كردن موادي كه سبب ايجاد بارهاي همنام روي سطح پودرها و ايجاد نيروي دافعه مي‌شوند، صورت مي‌گيرد.
براي درك بهتر موضوع، مسئله‌اي را طرح مي‌کنيم:
فرض كنيد يك قطعه به شكل مكعب با طول ضلع 3 سانتيمتر داريم. در صورتي كه اين مكعب را به 27 مكعب تقسيم كنيم، سطح آزاد چند برابر مي‌شود؟
جواب:
V₁=a₁³=(3cm)³=27cm³(حجم مكعب بزرگتر)

براي اينكه مكعب را به 9 مكعب كوچكتر تقسيم كنيم، بايد هريك از اضلاع را به 3 قسمت تقسيم كنيم. در اين حالت:

V₂=a³₂=(1cm)³=1cm³(حجم هر مكعب)

اگر جمع حجم اين 9 مكعب را در نظر بگيريم:

يعني برابراست با حجم مکعب بزرگ. ولي سطح آزاد مكعب بزرگ برابر است با:

در حالي که مجموع سطح آزاد مكعب‌هاي كوچك برابر است با:

يعني سطح آزاد در اثر خُرد كردن مكعب بزرگ به 27 مکعب کوچک، 3 برابر شده است.

اهميت سطح آزاد مواد:
اهميت سطح آزاد در اين است كه سطح آزاد مواد است که محل انجام واكنش هاي آن ها است. براي مثال ، حتماً ديده ايد كه در زمستان، روي يخ جاده ها نمك طعام مي پاشند تا يخ زودتر ذوب شود، واكنش بين نمك و يخ در سطح ذرات نمك انجام مي شود ، براي درك بهتر فرض كنيد سنگ نمك طعام را روي يخ بيندازند، بهتر يخ را ذوب مي كند يا اينكه اين سنگ را پودر كرده و پودر نمك را روي يخ بپاشيم. مثالي ديگر از اين مطلب ، تفاوت حل كردن شكر و قند در چاي است. در فيلم زير بخوبي ديده مي شود که شكر به دليل سطح آزاد زياد آن ، به مراتب سريعتر از يك حبه قند با حجم يکسان، در آب داغ حل مي شود.

ديدنِ ناديده‌ها

تلاش براي ديدنِ سطوح بسيار نازك‌، از مهم‌ترين فعاليت‌هاي علميِ آزمايشگاه‌هاي جهان است. اين كار، بسيار مشكل و معمولاً غيراقتصادي است. كدام كار؟ ديدنِ مستقيم سطوح بسيار نازك مانند سطح كف دريا يا سطح اتم. روش معمول براي ديدن چنين سطوحي غيرمستقيم است؛ يعني جمع‌آوري داده‌هاي دقيق و پردازش آنها توسط رايانه‌ها و تبديلشان به تصاويرِ ديدني. در مقاله‌اي كه مي‌خوانيد، شما را با چگونگي كسب اطلاعات از سطوح ناديدني و تبديل آنها به مدل‌هاي دوبُعدي و سه‌بُعدي آشنا مي‌كنيم. اين همان كاري است كه ميكروسكوپ نيروي اتمي انجام مي‌دهد.
شبيه‌سازي كف دريا كه با استفاده از داده‌ها صورت مي‌گيرد، مدت‌هاست که در تحقيقات و مطالعات اقيانوس‌شناسي به كار مي‌رود. اقيانوس‌شناسانِ اوليه به انتهاي كابل‌هاي بلند وزنه‌هايي مي‌آويختند و ته دريا مي‌‌فرستادند. اين وزنه‌ها كف دريا را مي‌پيمودند و ناهمواري‌ها و شيارهاي آن را از طريق كابل‌ها روي كاغذهاي شطرنجي نقش مي‌كردند.

امروزه در فارسي به اين قبيل وسايل كه مي‌توانند اطلاعاتي را از سطوح ناديدني به ما برسانند، ‌«پيمايشگر‌» مي‌گويند. اين عنوان معادل واژة probe در انگليسي است.

اقيانوس‌شناسان جديد، كابل و وزنه را به كناري نهاده‌اند و فناوري رادار را به خدمت گرفته‌اند. آنها امواج صوتي را از يك كشتي اقيانوس‌پيما به كف دريا گسيل مي‌كنند و با ثبت فاصلة كف با منبع گسيل‌كننده ناهمواري‌هاي كف را ترسيم مي‌نمايند.
ماهواره‌ها هم به همين روش مي‌توانند امواجي را به اعماق ناشناختة فضا بفرستند و با محاسبة زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگيرند.
در ميكروسكوپ نيروي اتمي نيز از اين روشِ ديدن استفاده مي‌شود. AFM پيمايشگري را روي سطح ماده حركت مي‌دهد. همزمان با حركت اين پيمايشگر بر سطح ماده، نيروي مكانيكي بين كاوشگر و ماده محاسبه مي‌شود. اين داده‌ها براي به تصوير كشيدن سطح اتم در رايانه مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

در اينجا آزمايشي را به شما معرفي مي‌كنيم كه شما را با رفتار يك ميكروسكوپ نيروي اتمي آشنا مي‌كند. با اين آزمايش مي‌توانيد بدون ديدنِ مستقيم، داده‌هايي را از درون يك جعبة دربسته استخراج كنيد و با استفاده از آنها تصاويري دو و سه‌بُعدي از سطح دروني آن ترسيم نماييد.

يك جعبه كفشِ خالي را برداريد و از دوستتان بخواهيد كه يك وسيلة مجهول درون جعبه درست وسط آن بچسباند و در آن را هم محكم ببندد. حالا كاغذي شطرنجي، مانند تصوير زير، روي آن بچسبانيد. (اگر چاپگر داريد، روي تصوير كليك كنيد و نسخة با كيفيت بالاتر را داونلود كنيد و از آن پرينت بگيريد.)

سپس با يك ميل بافتني صفحه را سوراخ سوراخ كنيد و با كمك همان ميل بافتني ارتفاع شيء مجهول از كفِ جعبه را در نقاط مختلف اندازه بگيريد. حواستان را جمع كنيد كه فقط ارتفاع ميلة بافتنيِ فرورفته داخل جعبه را اندازه نگيريد، بلكه ارتفاع جعبه را هم محاسبه كنيد. مثلاً اگر ارتفاع جعبه 14 سانتي‌متر است و ميل بافتني در آن نقطه 7.5 سانتيمتر فرو رفته است. بايد 7.5 را از 14 كم كنيد تا ارتفاع شيء مجهول از كف جعبه به دست آيد.

پس از اينكه ارتفاع‌هاي نقاط مختلف را اندازه گرفتيد، كافي است تا اين فايل را داونلود كنيد و به كمك آن حدس بزنيد داخل جعبه چه چيزي وجود دارد. خوب، چطور اين حدس را زديد؟ درست است: به كمك شكلي كه از سطح شيء مجهول به دست آورده ‌ايد.
فايلي كه براي اين كار در اختيار شما قرار داده شده، يك صفحة گسترده است كه توسط نرم‌افزار Excel طراحي شده است و شما هم مي‌توانيد مشابه آن را توليد كنيد.

شكل بالا نتيجه انجام آزمايش جعبه دربسته براي يك جسم هرم مانند است.
جدول 15×15 بالاي صفحه در واقع همان كاغذ مشبكي است كه شما روي جعبه چسبانده‌ايد. حالا كافي است كه ارتفاع شيء مجهول را در هر نقطه به كمك ميل بافتني اندازه بگيريد و آن را در خانة متناظر آن در فايل Excel ذخيره كنيد. همانطور كه اعداد وارد برنامه مي‌شوند، نقشة سطحِ شيء مجهول كه اصطلاحاً به آن «نقشة توپوگرافي» مي‌گويند، كامل‌تر مي شود.

نانو بیوتکنولوژی

دید کلی

فناوری نانو ، چنانکه از نام آن برمی‌آید با اجسامی به ابعاد نانومتر سروکار دارد. فناوری نانو در سه سطح قابل بررسی است: مواد ، ابزارها و سیستمها. در حال حاضر در سطح مواد ، پیشرفتهای بیشتری نسبت به دو سطح دیگر حاصل شده است. موادی را که در فناوری نانو بکار می‌روند، نانو ذره نیز می‌نامند. برای آنکه تصوری از ریزی نانو ذره‌ها داشته باشیم بهتر است آن را با ابعاد سلول مقایسه کنیم. اندازه متوسط سلول یوکاریوتی 10 میکرومتر است. اندازه متوسط یک پروتئین 5 نانومتر است که با ابعاد ریزترین جسم ساخت بشر قابل مقایسه است. بنابراین می‌توان با بکارگیری نانو ذره‌ها نوعی مامور مخفی به درون سلول فرستاد و به کمک آن از بعضی رازهای نهفته در سلول پرده برداری کرد.

این ذرات آنقدر ریزند که تداخل عمده‌ای در کار سلول بوجود نمی‌آورند. پیشرفت در زمینه نانو فناوری نیازمند درک وقایع زیستی در سطح نانوهاست. از میان خواص فیزیکی وابسته به اندازه ذرات نانو ، خواص نوری (Optical) و مغناطیسی این ذرات ، بیشترین کاربردهای زیستی را دارند. استفاده از فناوری نانو در علوم زیستی به تولد گرایش جدیدی از این فناوری منجر شده است یعنی نانوبیوتکنولوژی. کاربردهای نانو ذره‌ها در زیست شناسی و پزشکی عبارتند از: نشانگرهای زیستی فلورسنت ، ترابری دارو و ژن ، تشخیص زیستی پاتوژنها ، تشخیص پروتئینها ، جستجو در ساختار DNA ، مهندسی بافت ، )تخریب تومور از طریق گرمادهی به آن و بهبود تباین (کنتراست.

رابطه نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی

نانوتکنولوژی مجموعه‌ای است از فناوریهایی که به صورت انفرادی یا باهم در جهت بکارگیری و یا درک بهتر علوم مورد استفاده قرار می‌گیرند. بیوتکنولوژی جزء فناورهای در حال توسعه می‌باشد که با بکارگیری مفهوم نانو به پیشرفتهای بیشتری دست خواهد یافت. نانوبیوتکنولوژی به عنوان یکی از حوزه‌های کلیدی قرن 21 شناخته شده است که امکان تعامل با سیستمهای زنده را در مقیاس مولکولی فراهم می‌آورد. بیوتکنولوژی به نانوتکنولوژی مدل ارائه می‌دهد، در حالی که نانوتکنولوژی با در اختیار گذاشتن ابزار برای بیوتکنولوژی آن را برای رسیدن به اهدافش یاری می‌رساند.

نشانگرهای زیستی

از آنجا که انداه نانو ذرات ، در محدوده اندازه پروتئینهاست، می‌توان از آنها برای نشاندار کردن نمونه‌های زیستی استفاده کرد. برای این کار ، باید نانو ذره بتواند به نمونه زیستی هدف متصل شود و نیز راهی برای دنبال کردن و شناسایی نانو ذره وجود داشته باشد. به منظور ایجاد میان کنش بین نانو و نمونه زیستی ، نانو ذره را با پوشش بیولوژیکی مانند آنتی بادیها ، بیوپلیمرهایی مانند کلاژنها که نانو ذره ها را از نظر زیستی سازگار می‌کند، می‌پوشانند. می‌توان نانو ذره‌ها را فلورسنت کرده یا خواص نوری آنها تغییر داد.

نانو ذره‌ها در مرکز نشانگر زیستی قرار می‌گیرند و بقیه اجزا روی آنها قرار داده می‌شوند و این ساختار غالبا کروی است. کنترل دقیق بر اندازه متوسط ذرات امکان ایجاد کاوشگرهای فلورسنت را که باریکه‌های نوری را در طیف وسیعی از طول موج گسیل می‌دارند، فراهم می‌آورند. این امکان به تهیه نشانگرهای زیستی با رنگهای فراوان و قابل تشخیص ، کمک شایانی می‌کند. ذره مرکزی معمولا توسط چندین تک لایه از موادی که تمایل به واکنش ندارند مثل سیلیکا محافظت می‌شود.

مهندسی بافت Tssue engeering

سطح استخوان از ترکیباتی تشکیل شده است که حدودا 100 نانومتر عرض دارند. اگر سطح یک عضو مصنوعی به استخوان طبیعی پیوند بخورد بدن آن را پس می‌زند. دلیل امر تولید بافت مصنوعی در محل استخوان طبیعی و سطح مصنوعی می‌باشد. استئوبلاستها در بافت پیوندی استخوان وجود دارند و بخصوص در استخوانهای در حال رشد دارای فعالیت چشمگیری هستند. با ایجاد ذراتی در اندازه نانو در سطح مفاصل و استخوانهای مصنوعی احتمال دفع عضو جایگزین به دلیل تحریک سلولهای استئوبلاست کمتر می‌شود. ایجاد این ذرات با ترکیب مواد پلیمری ، سرامیکی و فلزی چندی پیش توسط دانشمندان به اثبات رسید.

مواد مورد استفاده در ترمیم استخوان

تیتانیوم ماده شناخته شده‌ای برای ترمیم استخوان است و به دلیل ترکیبات خاص و وزن زیادش جهت بالا بردن میزان استحکام بطور وسیع در دندانپزشکی و ارتوپدی استفاده می‌شود. ولی متاسفانه به دلیل آنکه بخش چسبنده‌ای که با Apatite (بخش فعال استخوان) پوشیده شده با تیتانیوم سازگار نیست فاقد فعالیت زیستی می