نانو کامپوزيت تحول بزرگ در مقياس کوچک
نانو کامپوزيت
مواد و توسعة آنها از پايههاي تمدن به شمار ميروند. به طوري که دورههاي تاريخي را با مواد نامگذاري کردهاند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سيليکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر ميبريم. عصر جديد با شناخت يک مادة جديد به وجود نميآيد، بلکه با بهينه کردن و ترکيب چند ماده ميتوان پا در عصر نوين گذاشت. دنياي نانومواد، فرصتي استثنايي براي انقلاب در مواد کامپوزيتي است.
کامپوزيت ترکيبي است از چند مادة متمايز، به طوري که اجزاي آن بهآساني قابل تشخيص از يکديگر باشند. يکي از کامپوزيتهاي آشنا بتُن است که از دو جزء سيمان و ماسه ساخته ميشود.
براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوز يا ترکيب ميکنيم. به طور مثال، پُلي اتيلن{1} که در ساخت چمنهاي مصنوعي از آن استفاده ميشود، رنگپذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمنها اغلب مات به نظر ميرسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات ميافزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي و رنگپذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن مادهاي ترکيبي با خواص دلخواه است.
نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزيتها در دو فاز تشکيل ميشوند. در فاز اول ساختاري بلوري در ابعاد نانو ساخته ميشود که زمينه يا ماتريس کامپوزيت به شمار ميرود. اين زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. در فاز دوم ذراتي در مقياس نانو به عنوان تقويتکننده{2} براي استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده ميشود.
بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه مادهاي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم ميکنند. کامپوزيتهاي پليمري به علت خواصي مانند استحکام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است که در ساخت هواپيماها به کار ميروند. با رشد نانوتکنولوژي، کامپوزيتهاي پليمري بيش از پيش به کار گرفته خواهند شد.
تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي يا معدني بسيار مرسوم است. از نظر ساختاري، ذرات و الياف معمولاً باعث ايجاد استحکام ذاتي ميشوند و ماتريس پليمري ميتواند با چسبيدن به مواد معدني، نيروهاي اعمالشده به کامپوزيت را به نحو يکنواختي به پُرکن يا تقويتکننده منتقل کند. در اين حالت، خصوصياتي چون سختي، شفافيت و تخلخلِ مادة درون کامپوزيت تغيير ميکند. ماتريس پليمري همچنين ميتواند سطحِ پُرکن را از آسيب دور نمايد و ذرات را طوري جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخير افتد. گذشته از تمام اين خصوصيات فيزيکي، اجزاي مواد نانوکامپوزيتي ميتوانند بر اثر تعامل بين سطح ماتريس و ذرات پُرکن، ترکيبي از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.
کامپوزيتهايي که بستر فلزي دارند، کموزن و سبکاند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرو و هوا ـ فضا پيدا کردهاند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيتهايي، محدود شدهاند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا ميشود.
نانوکامپوزيت¬هاي نانوذرهاي
در اين کامپوزيتها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويتکننده استفاده ميشود. براي مثال، در نانوکامپوزيتهاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از 10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده ميشود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش ميدهند. مهمترين کامپوزيتهاي نانوذرهاي، سبکترين آنها هستند.
نانوکامپوزيتهاي نانولولهاي
نانولولههاي کربني در دو گروه طبقهبندي ميشوند: نانولولههاي تکديواره و نانولولههاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيتها، اين دو گروه از نانولولهها در بستري کامپوزيتي توزيع ميشوند. در صورتي که قيمت نانولهها پايين بيايد و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيتهاي نانولولهاي موجب رسانايي و استحکام فوقالعادهاي در پليمرها ميشوند و کاربردهاي حيرتانگيزي همچون آسانسور فضايي براي آن قابل تصور است.
تحقيقات در زمينة توزيع نانولولههاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به نانولولههاي تکديواره و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در حد فلزات است.)
اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولولههاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون ميتوان از محصولاتي نام برد که در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولولههاي کربنيِ چندديواره در پودرهاي رنگ به کار رفتهاند.
استفاده از اين نانولولهها باعث ميشود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز تقويتکننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصتهاي انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوستههاي الکتريکي ـ مغناطيسي گرفته تا کامپوزيتهاي رساناي گرما و لباسهاي سربازان آينده!
نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر
نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر يک مثال موردي از محصولات نانوتکنولوژي است. در اين نوع ماده، از خاک رُس {3} به عنوان پُرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده ميشود. خاک رُسهاي نوع اسمکتيت {4}، ساختار لايهلايه دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد. صدها يا هزاران عدد از اين لايهها به وسيلة يک نيروي واندروالسيِ ضعيف روي هم انباشته ميشوند تا يک جزء رُسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب، اين امکان وجود دارد که رُسها را به اَشکال و ساختارهاي گوناگون، درون يک پليمر به شکل سازمانيافته قرار دهيم.
معلوم شده است که بسياري از خواص مهندسي، هنگامي که در ترکيب ما از ميزان کمي ــ معمولا ً چيزي کمتر از 5 درصد وزني ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مييابد.
امتياز ديگر نانوکامپوزيتهاي خاک رُس ـ پليمر اين است که تأثير قابل توجهي بر خواص اُپتيکي (نوري) پليمر ندارند. ضخامت يک لاية رُس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است. بنابراين، نانوکامپوزيتي که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتيکي شفاف است. از طرفي، با توجه به اينکه امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي جامعه را پليمرهايي تشکيل ميدهند که بهراحتي ميسوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه ميآفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس ميشود. نتايج تحقيقات حاکي از آن است که ميزان آتشگيري در اين نانوکامپوزيتهاي پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص کمتر است. در عين حال، اغلب خواص کاربردي پليمر نيز تقويت ميشوند.
اولين کاربرد تجاري نانوکامپوزيتهاي خاک رُس ـ نايلون 6، به عنوان روکش نوار زمانسنج براي ماشينهاي تويوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نيز از اين نانوکامپوزيت در صنعت لاستيک استفاده ميشود. با افزودن ذرات نانومتريِ خاک رُس به لاستيک، خواص آن به طور قابل ملاحظهاي بهبود پيدا ميکند که از جمله ميتوان در آنها به موارد زير اشاره کرد:
1. افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش
2. افزايش استحکام مکانيکي
3. افزايش مقاومت گرمايي
4. کاهش قابليت اشتعال
5. کاهش وزن لاستيک
نانوکامپوزيت الماس ـ نانولوله
محققان توانستهاند سختترين مادة شناختهشده در جهان (الماس) را با نانولولههاي کربني ترکيب کنند و کامپوزيتي با خصوصيات جديد به دست آورند. اگرچه الماس سختيِ زيادي دارد، ولي به طور عادي هادي جريان الکتريسيته نيست. از طرفي، نانولولههاي کربن به شکلي باورنکردني سخت و نيز رساناي جريان الکتريسيتهاند. با يکپارچه کردن اين دو فُرمِ کربن با يکديگر در مقياس نانومتر، کامپوزيتي با خصوصيات ويژه به دست خواهد آمد.
اين کامپوزيت ميتواند در نمايشگرهاي مسطح کاربرد داشته باشد. الماس ميتواند نانولولههاي کربني را در مقابلِ ازهمگسيختگي حفظ کند. در حالي که به طور طبيعي، وقتي نمايشگر را فقط از نانولولههاي کربني بسازند، ممکن است از هم گسيخته شوند.
اين کامپوزيت همچنين در رديابيهاي زيستي کاربرد دارد. نانولولهها به مولکولهاي زيستي ميچسبند و به عنوان حسگر عمل ميکنند. الماس نيز به عنوان يک الکترود فوقالعاده حساس رفتار ميکند.
تنها چيزي که در اين تحقيقات واضح نيست اين است که الماس و نانولولههاي کربني چگونه محکم به هم ميچسبند؟
جديدترين خودرو نانوکامپوزيتي
اين خودرو توسط شرکت جنرالموتورز طراحي شده و به علت استفاده از مواد نانوکامپوزيتي در قسمتهاي مختلف آن، حدود 8 درصد سبکتر از نمونههاي مشابه قبلي است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغييرات دمايي هم مقاومت ميکند.
توپ تنيس نانوکامپوزيتي
شرکت ورزشي ويلسون، يک توپ تنيس دولايه به بازار عرضه کرده که عمر مفيد آن حدود چهار هفته است ــ در حالي که توپهاي معمولي عمر مفيدشان در حدود دو هفته است ــ ولي از نظر خاصيت ارتجاعي و وزن تفاوتي بين اين دو مشاهده نميشود. علت مهم و اصلي دوام توپهاي نانوکامپوزيتي، وجود يک لاية پوشش نانوکامپوزيتي به ضخامت 20 ميکرون به عنوان پوستة داخلي است که باعث ميشود هواي محبوس در داخل توپ ضمن ضربه خوردن خارج نگردد، درحاليکه توپهاي معمولي از جنس لاستيک و در برابر هوا نفوذپذيرند.
الياف نانو، تحولي در صنعت نساجي
امروزه ساخت کامپوزيتهاي تقويتشده به وسيلة نانوالياف پيشرفت چشمگيري کرده است. ليفچههاي کربنيِ جامد و توخالي با چند ميکرون طول و دو تا بيش از صد نانومتر قطر خارجي خلق شدهاند که مصارفي در مواد کامپوزيت و روکش دارند.
يکي از دانشجويان کارشناسي ارشد دانشکدة مهندسي نساجي دانشگاه اميرکبير، دستگاه توليد نانوالياف از محلول پليمري را طراحي کرده و ساخته است. اين دستگاه در فيلتراسيون مايعات، گازها و مولکولها، امور پزشکي مانند مواد آزادکنندة دارو در بدن، پوشش زخم، ترميم پوست، نانوکامپوزيتها ، نانوحسگرها، لباسهاي محافظ نظامي و... کاربرد دارد.
مهمترين تأثير نانوکامپوزيتها در آينده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزيتهاي سبکوزن و بعد تجهيزات الکترونيکي کوچکتر و سبکتر در ماهوارههاي فضايي.
سازمان فضايي آمريکا (ناسا) در حمايت از فناوري نانو بسيار فعال است. بزرگترين تأثير فناوري نانو در فضاپيماها، هواپيماهاي تجاري و حتي فناوري موشک، کاهش وزن مواد ساختمانيِ سازههاي بزرگ دروني و بيروني، جدارة سيستمهاي دروني، اجزاي موتور راکتها يا صفحات خورشيدي خواهد بود.
در مصارف نظامي نيز کامپوزيتها موجب ارتقا در نحوة حفاظت از قطعات الکترونيکي حساس در برابر تشعشع و خصوصيات ديگر همچون ناپيدايي در رادار ميشوند.
کامپوزيتهاي نانوذرة سيليکاتي به بازار خودروها وارد شدهاند. در سال 2001 هم جنرال موتورز و هم تويوتا شروع به توليد محصول با اين مواد را اعلام کردند. فايدة آنها افزايش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفهجويي در سوخت را به همراه دارد.
علاوه بر اين، نانوکامپوزيتها به محصولاتي همچون بستهبندي غذاها راه يافتهاند تا سدي بزرگتر در برابر نفوذ گازها باشند (مثلاً با حفظ نيتروژن درونِ بسته يا مقابله با اکسيژن بيروني).
همچنين خواصّ تعويق آتشگيريِ کامپوزيتهاي سيليکات نانوذرهاي، ميتواند در رختِ خواب، پردهها و غيره کاربردهاي بسياري پيدا کند.
1- Poly Ethylen
2- Filler
3- Clay
4- Smectite type
منابع:
www.irannano.org
www.autnano.org
www.azonano.com
کاربردهاي فناورينانو در صنعت مواد غذايي
کاربردهاي فناورينانو
برگزاري همايشهايي با موضوع فناورينانو، راهاندازي کنسرسيومهايي براي مواد غذايي بهتر و سالمتر، همچنين بالا بردن آگاهي مردم از طريق رسانهها، مؤيد تأثيرگذاري فناورينانو بر صنايع غذايي است. انواع کاربردهاي نانو در اين زمينه شامل بستهبنديهاي هوشمند، مواد نگهدارنده و مواد خوراکي تعاملي (interactive) است، که به مصرفکنندگان اجازه ميدهد موادغذايي را با توجه به ذائقه و نيازغذايي مورد نظرشان تغيير دهند. 
بيشترغولهاي توليد کننده موادغذايي مانند Nestle,Kraft,Heinz و Unilever برنامههاي تحقيقاتي مشخصي در اين زمينه دارند تا بتوانند سهم بازار خود را در دهههاي آينده حفظ کنند. اين بدان معنا نيست که مواد غذايي بهطور اتمي تغيير پيدا کنند و يا با نانوماشينها توليد شوند، زيرا آرزوي توليد غذاهاي مولکولي با کمک نانو ماشينها فعلاً عملي نيست.
با علم به قابليتهاي فناورينانو اميد است، بتوان سيستمهاي فعلي فراوري مواد غذايي را تغيير داده، محصولاتي مطابق با فرهنگ تغذيه سالم به بازار عرضه كرد. محققان همچنين اميدوارند بتوانند با استفاده از مواد افزودني، کيفيت مواد غذايي و هضم و جذب غذا را در بدن افزايش دهند. اگر چه بعضي از اين اهداف دور از انتظار به نظر ميرسد، اما امروزه صنايع بسته بندي از فناورينانو در محصولات خود کمک ميگيرند.
1. بستهبندي و سلامت مواد غذايي
پيشرفت در بسته بندي هوشمند براي افزايش عمر مفيد محصولات غذايي، هدف بسياري از شرکتهاست. اين سيستمهاي بستهبندي قادر خواهند بود پارگيها و سوراخهاي کوچک را با توجه به شرايط محيطي (مانند تغييرات دما و رطوبت) ترميم و مصرف کننده را از فساد ماده غذايي آگاه سازند. فناورينانو ميتواند در مواردي مانند افزايش مقاومت به نفوذ در پوششها، افزايش ويژگيهاي ديواره (مکانيکي، حرارتي، شيميايي وميکروبي)، افزايش مقاومت در برابر گرما، گسترش ضد ميکروبهاي فعال و سطوح ضد قارچ کارساز باشد.
چشم اندازهاي مالي فناورينانو، صنايع بستهبندي را پررونق نشان ميدهد. سهم بازار اين صنعت در حال حاضر حدود 1.1 ميليارد دلار است و پيشبيني ميشود تا سال 2010 به 7.3 ميليارد دلار آمريکا برسد. با اين وجود، صنعت بستهبندي هوشمند از آنچه پيشبيني شده بود جلوتر رفته و نشانههاي تکامل آن به خوبي پيداست. تحقيقات سازمان مالي Frost and Sullivan نشان داد که علاقه مشتريان به مواد غذايي سالم و تازه در بستهبنديهاي مناسب، موجب پيشرفت اين صنعت شده است. سازمان هاي زيادي وجود دارند که در زمينه سيستمهاي بستهبندي هوشمند فعاليت ميکنند، ازجمله شرکت توليدکننده مواد غذايي Kraft كه با همکاري دانشگاه راتگرز در حال فعاليت روي پروژه زبان الکترونيکي (electronic tongue) است تا آن را به بستهبنديها اضافه کند. اين نوع بستهبندي شامل رشتهاي از نانوحسگرهاست که نسبت به گازهايي که از مواد غذايي آزاد و موجب فساد آنها ميشوند، به شدت حساس بوده و تغيير رنگ ميدهند که اين تغيير رنگ، علامت واضحي از سلامت يا فساد ماده غذايي است.
شرکت Bayer Polymer کيسهاي پلاستيکي با نام Durethan KU2-2601 توليد کرده است که از محصولات موجود در بازار سبک تر و محکم تر است، همچنين مقاومت بيشتري در برابر گرما از خود نشان ميدهد. هدف اوليه از توليد پلاستيکهاي بستهبندي مواد غذايي، جلوگيري از خشک شدن محتويات آنها و محافظت در مقابل رطوبت و اکسيژن است. پوشش جديد غني از نانوذرات سيليکات است. اين نانوذرات تا حد زيادي از نفوذ اکسيژن، گازهاي ديگر و رطوبت جلوگيري ميکنند و فساد مواد غذايي را به تعويق مي اندازند.
سازمانهاي ديگر به کمک فناورينانو در حال يافتن راهي براي تشخيص فساد مواد غذايي هستند. به عنوان مثال شرکت AgroMicron، افشانه تشخيص دهنده نانوبيولومينسانس را ساخته که شامل پروتئين لومينسانت است. در اين طرح، افشانه سطح ميکروبهايي مانند Salmonella و E.coli را پوشانده، و از خود نوري ساطع ميکند و به اين روش فساد مواد غذايي تشخيص داده ميشود. اين شرکت اميدوار است بتواند محصول مورد نظر را با نام BioMark وارد بازار کند. در حال حاضر اين شرکت در حال ساخت افشانههايي با روشهاي جديد است تا بتواند از آنها در حمل و نقل دريايي استفاده کند.
در راهبرد مشابه، براي اطمينان از سلامت مواد غذايي، محققان اتحاديه اروپا در پروژه Good Food از نانوحسگرهاي قابل حمل براي يافتن مواد شيميايي مضر، پاتوژنها و سمها در مواد غذايي استفاده ميکنند.
با اين کار، ديگر نيازي به فرستادن نمونههاي مواد غذايي به آزمايشگاه براي تشخيص سلامت و کيفيت محصولات در کشتزارها و کشتارگاهها نيست. همچنين اين پروژه، در حال توسعه به کارگيري زيست تراشههاي DNA براي کشف پاتوژنهاست. اين روش ميتواند در تشخيص باکتريهاي مضر و متفاوت موجود در گوشت يا ماهي و يا قارچهاي ميوه مؤثر باشد. اين پروژه در نظر دارد با گسترش ميکروحسگرهاي رشتهاي، بتواند آفتکشهاي ميوه و سبزيجات را به همان خوبي که شرايط محيطي کشتزارها را کنترل ميکند تشخيص دهد. اين نوآوري به نام حسگرهاي Good Food ناميده ميشود.
پروژه سرمايهگذاري شده اتحاديه اروپا به نام BioFinger که هدف آن، ساخت ابزارهاي ارزان با توان تشخيص آسان در سلامت محيط زيست است، فعاليت ديگري در زمينه آناليز مواد غذايي دارد. در ابزارهايي که از حامل (cantilever) استفاده ميکنند، روش بدين صورت است که تيرک (Tip) با ماده شيميايي پوشانده شده و در برخورد با مولکولهاي خاصي، سيگنال ايجاد ميکنند. BioFinger با استفاده از اين حاملها که به يک ميکروتراشه متصل است کوچکتر و قابل حمل ميشود.
ارتش آمريکا در حال ساخت حسگرهاي فوقالعادهاي است که از آنها در مقابل حملهکنندهها به مواد غذايي استفاده ميشود. در سيستم هاي کنوني چندين روز طول ميکشد تا وجود پاتوژنها در مواد غذايي تشخيص داده شود. تشخيص سريع پاتوژنها به وسيله اين حسگرها به زودي باعث فراگير شدن اين فناوري در صنعت مواد غذايي خواهد شد.
محققان دانشگاه بُن در حال ساخت پوششهاي دفع کننده آلودگي براي بستهبنديها با استفاده از اثر لوتوس (نيلوفر آبي) (قطره آب از سطح برگهاي نيلوفر آبي ميلغزد و در نتيجه هرمهاي موم مانند نانومقياس، سطح برگ را ميپوشاند) هستند. کشتارگاهها و محلهاي فرآوري گوشت نيز ميتوانند از اين فناوري استفاده کنند. گروه تحقيقاتي دانشگاه انگليسي ليدز دريافتند که نانوذرات اکسيد منيزيم و اکسيد روي باعث از بين بردن ميکروارگانيزمها ميشوند. استفاده از اين مواد بسيار ارزانتر از نانوذرات نقره است و ميتوانند کاربرد زيادي در بستهبندي مواد غذايي داشته باشند. فناوري شناخت فرکانسهاي راديويي (RFID) در بيش از 50 سال پيش توسعه يافت، ولي امروزه اين فناوري راه خود را براي کنترل مواد غذايي در مغازهها پيدا کرده است. در اين فناوري با استفاده از ميکروپردازشگرها ميتوان دادهها را به گيرندههاي بيسيم ارسال کرد. امروزه ميتوان از اين روش براي کنترل اقلام غذايي از انبار تا دست مصرفکننده بهره گرفت. برخلاف بارکدها که نياز به اسکن دستي و خواندن يک به يک دارند، برچسبهاي RFID نيازي به خوانده شدن خطي نداشته و امکان خواندن تعداد زيادي از آنها در يک ثانيه وجود دارد. فروشگاههاي زنجيرهاي مانند Wal Mart، Home Depot گروه Metro و Tsco در حال آزمايش اين فناوري هستند. ضعف اصلي اين روش، افزايش هزينه توليد است که نتيجه ساخت سيليکوني آن ميباشد. با ترکيب فناورينانو و الکترونيک (نانوترونيک) اين برچسبها ارزانتر و کاراتر شده، همچنين پيادهسازي آنها آسانتر ميشود.
گروهي از دانشمندان شمال اروپا، کنسرسيوم نانوغذايي را با هدف توسعه کاربردهاي فناورينانو دراين صنعت و با تأکيد بر مواد غذايي سالم و مطمئن تشکيل دادهاند. اين مجمع، متشکل از شرکتهاي Arla Foods, Danisco A/S, Ar hus United A/S, Danish Crown amba و مرکز ميان رشتهاي نانوعلوم است.
با تأکيد بر فراهم آوردن مواد غذايي سالم براي مشتريان، اولويتهاي اين کنسرسيوم عبارت از توسعه حسگرهايي که قادر به تشخيص سريع سم در ترکيبات و يا باکتريهاي مضر در نمونههاي غذايي باشند، گسترش سطوح ضد باکتري براي ماشينهايي که در توليد مواد غذايي بهکار ميروند، گسترش ساخت پوششهاي محکمتر و ارزانتر، توليد مواد غذايي با ترکيبات خوراکي سالمتر ميباشد.
تحقيقات مرکز دانمارک در بخش پژوهشهاي پيشرفته غذايي (LMC) که از همبستگي مؤسسات دانمارکي فعال در زمينه علوم غذايي تشکيل شدهاند، برنامههاي خود را در چارچوب هفتمين برنامه خود به صورت زير اعلام ميدارد:
درک پايهاي از مواد غذايي و تغذيه حيوانات براي نوآوري هوشمند؛
سيستمهاي زيستشناسي در تحقيقات غذايي؛
بازنگري زيستي در بخش محصولات غذايي؛
پيشرفتهاي فناوري؛
علم مواد خوراکي؛
نوآوريهايي بر اساس نياز مشتري و ارتباطات غذايي.
آنها معتقدند تمرکز روي اين برنامهها ميتواند موجب دستيابي کامل و چند جانبه در تحقيقات و توسعه مواد غذايي در اروپا شود. همچنين اميدوارند از نانوموادي با ويژگيهاي کاربردي به منظور استفاده در نانوحسگرها و فناوري نانوسيالات در صنايع غذايي استفاده کنند. پيشرفت در مواد بستهبندي هوشمند، امکان کنترل شرايط محصولات در طول حمل و نقل و استفاده از روشهاي بستهبندي مبتني بر زيستشناسي را براي ما مهيا ميسازد.
2. فراوري مواد غذايي
فناورينانو علاوه بر بستهبندي، تأثير زيادي روي گسترش مواد غذايي کاربردي و تعاملي دارد؛ موادي که به نيازهاي بدن پاسخ داده، ميتوانند در رسانش مواد غذايي مؤثر باشند. گروههاي تحقيقاتي مختلفي در حال کار روي ساخت مواد غذايي جديد بر اساس تقاضا هستند. اين مواد به صورت غير فعال در بدن باقي ميمانند و مواد غذايي را در صورت نياز به سلولها ميرسانند. عنصر کليدي اين بخش، توسعه نانوکپسولهايي است که با استفاده از آنها در مواد غذايي ميتوان کار رسانش را به خوبي انجام داد. از پيشرفتهاي ديگر در فرآوري مواد غذايي، افزودن نانوذرات به مواد خوراکي براي افزايش جذب آنها در بدن است.
يکي از بهترين نانواييها در غرب استراليا در استفاده از نانوکپسولهايي که شامل روغن ماهي تن (منبع غني از اسيدهاي چرب امگا 3) بودهاند؛ موفق بوده است. اين مرکز از نانوکپسولها در پرفروشترين نوع نان خود به نامtip-top استفاده ميکند و اين ذرات فقط هنگامي باز و شکسته ميشوند که وارد معده شوند، به اين ترتيب از مزه ناخوشايند روغن ماهي جلوگيري ميشود.
شرکت Nutralease در رژيم اشغالگر قدس، از فناوري ساختارهاي مايع خودآراي نانومقياس (NSSL) براي رسانش مواد غذايي استفاده ميکند. اين ذرات به شکل مايسل (کرههاي توخالي که از چربي ساخته شده و درون آن آب است) با قطر حدود 30 نانومتر هستند. مواد خوراکي يا nutraceuticals داراي آب دروني هستند و ميتوانند براي حمل موادي مانند ليکوپن، بتا-کاروتن، لوتين، فيتوسترول ها، CoQ10 و DHA/EPA مورد استفاده قرار بگيرند. اين ذرات به ترکيبات اجازه ميدهند که به راحتي از طريق معده وارد رگهاي خوني شوند. بنابراين دسترسي زيستي آنها افزايش مييابد. اين فناوري را در حال حاضر کارخانجات Shemen براي رسانش روغن فعال Canola وارد بازار كردهاند. اين شرکت ادعا ميکند ميتواند جذب کلسترول را در کيسه صفرا تا 14 درصد کاهش دهد.
تعدادي از شرکتهاي شيميايي در حال تحقيق روي افزودنيهايي هستند که بدن به راحتي قادر به جذب آنهاست و ميتوانند عمر مفيد محصولات را افزايش دهند. سازمان بينالمللي علوم رسانش زيستي در حال توسعه نانوحلزونهايي با ذرات پيچشي 50 نانومتري است که ميتواند در رسانش موادي مانند ويتامينها، ليکوپن و اسيدهاي چرب امگا3 به سلولها به کار گرفته شود، بدون اينکه در مزه و رنگ مواد غذايي تأثير داشته باشد.
صنايع غذايي Kraft، گروهي محقق از 15 دانشگاه مختلف را تشکيل داده است تا با کمک فناورينانو در مورد غذاها تحقيق کند. اين مورد به مصرفکنندگان اجازه ميدهد تا بين رنگها و طعمهاي مختلف انتخاب کنند. اين مجمع همچنين روي توسعه مواد غذايي هوشمند با کمک نانوحسگرها، که باعث آزاد سازي تدريجي موادغذايي ميشود فعاليت ميکند. اين نانوکپسولها با مواد غذايي ترکيب ميشوند ولي تا زمان مناسب، غير فعال باقي ميمانند. تمامي پيشرفتهاي جديد موجب ميشود مفهوم موادغذايي کامل به واقعيت نزديک شود و انتظار ميرود تا فوايد ديگري در زمينه انرژي، عملکردهاي تشخيصي، کاربردهاي ايمني بهتر و توسعه محصولات ضد پيري براي مصرفکنندگان وجود داشته باشد.
امروزه از فناورينانو در صنايع آرايشي مانند ساخت کرمهاي شفاف استفاده ميشود. شرکت Royal BodyCare، که از فناورينانو علوم غذايي استفاده ميکند محصول جديدي با نام NanoCeuticals را وارد بازار کرده، که امولسيوني از ذرات با قطر کمتر از 5 نانومتر است. اين شرکت ادعا ميکند اين محصول، راديکالهاي آزاد را جمع آوري کرده، آب رساني را بالا برده و pH بدن را تنظيم ميکند. اين شرکت همچنين در حال توسعه نانوخوشهها و پودرهاي نانومقياسي است که با مکملهاي غذايي ترکيب ميشوند و هنگام مصرف، قدرت جذب مواد غذايي را در بدن افزايش ميدهند.
شرکتهاي مواد غذايي و آرايشي در همکاري با يکديگر به دنبال سازوكاري جديد براي رسانش ويتامينها و جذب مستقيم آنها از پوست هستند. به عنوان مثال شرکت Nestle که 49 درصد از سهام شرکت LOreal را داراست در حال ساخت کرم ضدآفتاب شفافي است که ويتامين E را مستقيم به پوست ميرساند. هدف، ساخت کرمي است که به وسيله پوست جذب شده و ويتامين E را به آرامي آزاد کند، بهعلاوه داراي ماده محافظ UV نيز باشد. در حال حاضرکرمهاي شفاف ضد UV در بازار موجود است و LOreal انتظار دارد اين کرم با کاربردهاي بيشتري بازار را در برگيرد.
رقيبان ديگر مانند Estee Lauder در حال ساخت فرمولهاي ضد پيري هستند که از نانوذرات تشکيل شدهاست. شرکت آمريکايي Oilfresh محصول نانوسراميکي جديدي وارد بازار کرده که مصرف روغن را در رستورانها و غذاهاي آماده به نصف کاهش ميدهد. در نتيجه اين تغيير بزرگ، از اکسيد شدن محصولات به دليل چربيهاي درون روغن جلوگيري ميشود. مورد ديگر اين است که روغن سريعتر داغ شده و انرژي مورد نياز براي پخت کاهش مييابد.
اخيراً دانشگاه واخنينگن در هلند مرکز تحقيقاتي را تأسيس کرده که در حال کار روي کاربرد فناورينانو در صنايع غذايي است. مرکز بيوفناوري واخنينگن روي موضوعات مختلفي ازجمله تشخيص کيفيت و سلامت غذا، پوششدار کردن و رسانش مواد غذايي، ميکرو و نانو ابزارهايي براي پردازشهاي شيميايي و فيزيکي، زيست شناسي شيميايي، نانو سم شناسي؛ بررسي فناوري و علم مشتري متمرکز شده است.
شرکت آلماني Aquanova در حال توسعه فناوري جديدي است که در آن دو ماده فعال را با هم ترکيب کرده و در کاهش چربي از طريق نانوحاملها (کرههاي تو خالي با قطر 30 نانومتر) استفاده ميکند. اين نوآوري ميتواند دستيابي جديدي در کنترل وزن باشد. شرکت NovaSOL Sustain از CoQ10 براي کاهش چربي اسيدهاي alpha-lipoic براي رفع گرسنگي استفاده ميکند. همچنين اين فناوري براي توليد ويتامينهايي مانند SoluE که از دسته ويتامينهاي E است و همچنين SoluC که از دسته ويتامينهاي C است استفاده ميشود.
در يک راهبرد متفاوت، شرکت Unilever در حال توليد بستنيهاي کم چرب با کاهش ذرات امولسيون است. با اين عمل اميد است که استفاده از اين ذرات، ميزان چربي را تا 16 درصد کاهش دهد. مرکز بينالمللي Woodrow Wilson، مؤسسه بورس تحصيلي در آمريکا، پايگاه دادهاي از مشتريان بازار فناورينانو تشکيل داده و بهزودي 15 مورد را که ارتباط مستقيم با صنايع غذايي دارند اعلام ميکند. اين فهرست شامل nanocetical هاي توليدي شرکت RBC، Life Science و روغن فعال Canola ي صنايع Shemen و نانوذرات نقره استفاده شده در يخچالهاي شرکتLG مي باشد.
3. جمع بندي
امروزه بسياري از کشورهاي جهان به توانايي فناورينانو در صنايع غذايي پي بردهاندو در حال سرمايهگذاري قابلتوجهي در اين راه هستند. مؤسسه استاندارد موادغذايي انگلستان (FSA) تحقيقاتي براي دستيابي به توانايي استفاده از فناورينانو در غذا و مشخصاً بستهبندي موادغذايي ترتيب دادهاست. همزمان دولت اين کشور نيز بودجه بيشتري براي تحقيق و توسعه در زمينه غذاهاي کاربردي، سيستمهاي رسانش موادغذايي و شيوههاي بهينهسازي ظاهر غذا مانند رنگ، مزه و غلظت در نظرگرفته است.
با افزايش تأثيرات فناورينانو بر صنايعغذايي و ورود اين محصولات به بازار مصرف، اهميت سلامت اين دسته از موادغذايي بيشتر مطرح ميشود. اين نياز، پذيرش فناورينانو را در کاربردهاي حسي، قويتر خواهد کرد، و از همين راه ميتوان به سلامت موادغذايي پي برد. مانند نوعي فناوري که نزديک بودن تاريخ انقضاي موادغذايي را به خريداران و فروشندگان هشدار ميدهد. پوششهاي ضدميکروبي جديد و کيفهاي پلاستيکي دفعکننده آلودگي، پيشرفت چشمگيري در اطمينان از سلامت و امنيت غذاهاي بستهبندي داشتهاند. اگرچه توجه زيادي به کاربرد فناورينانو در صنايعغذايي و محصولات موجود در بازار شدهاست، اما هنوز هم تواناييهاي استخراج نشده بسياري مانند آنچه قبلاً در بحث دستکاري ژنتيکي عنوان شد وجود دارد.
مؤسسه علوم و فناوري غذايي انگلستان، در گزارشي نشان داده است كه دادههاي مطمئن بيشتري مورد نياز است تا بتوان نانوذرات را به مواد غذايي اضافه کرد. اين گزارش اشاره ميکند که قوانين جاري، شرکتها را براي برچسبزدن روي اقلامي که شامل نانوذرات است مجبور نميکند، بنابراين بعيد است مشتريان بتوانند از وجود اين مواد در اقلام غذايي مطلع شوند. گفته ميشود براي ارزيابي سلامت اين دسته از مواد غذايي بايد به تأثيرات اندازه ذرات در کنار نوع ترکيبات توجه شود.
گروه ETC همچنين برخي شركتهاي مهم و دانشگاههاي فعال را به تلاش براي به انحصار درآوردن غذاهاي جديد (از طريق ثبت اختراع) متهم كرده است؛ زيرا اين كار ميتواند براي بسياري از شركتهاي مبتكر در كشورهاي در حال توسعه، مانع ايجاد كند.
سرانجام روزي خواهد رسيد که موادغذايي را از ترکيبات اتمي و مولکولي بسازيم که در اصطلاح به آن توليد مواد غذايي مولکولي گفته ميشود. امروزه برخي گروههاي تحقيقاتي در حال بررسي اين زمينه هستند، ولي هنوز با روش بالا به پايين، استفاده از سلولها بيش از مولکولهاست. اگرچه استفاده کاربردي از اين فناوري در آينده دور امکانپذير است، اما انتظار ميرود اين پيشرفت بتواند راه را براي گسترش پردازش محصولات غذايي مؤثرتر و ماندگارتر باز کند که در اين صورت مواد خام کمتري مصرف شده و غذاهايي با کيفيت بالاتر به دست ميآيد.
|
منبع:www.nano.ir
نانوکامپوزيتهاي خاک رس
نانوکامپوزيتها
نانوکامپوزيتهاي خاک رس / پليمر بهبود فوقالعادهاي در بسياري از خواص فيزيکي و مهندسي پليمرهايي که در آنها از مقدار کمي پرکننده استفاده ميشود، ايجاد ميکند. اين تکنولوژي که امروزه ميتواند کاربرد تجاري نيز پيدا کند، توجه زيادي را طي سالهاي اخير به خود جلب کرده است. عمدة پيشرفتهايي که در اين زمينه بوقوع پيوسته، طي پانزده سال اخير بوده و در اين مقاله به اين پيشرفتها و همچنين مزيتها، محدوديتها و برخي مسايل و مشکلات آن خواهيم پرداخت.
مقدمه
نانوکامپوزيتهاي خاک رس / پليمر بهبود فوقالعادهاي در بسياري از خواص فيزيکي و مهندسي پليمرهايي که در آنها از مقدار کمي پرکننده استفاده ميشود، ايجاد ميکند. اين تکنولوژي که امروزه ميتواند کاربرد تجاري نيز پيدا کند، توجه زيادي را طي سالهاي اخير به خود جلب کرده است. عمدة پيشرفتهايي که در اين زمينه بوقوع پيوسته، طي پانزده سال اخير بوده و در اين مقاله به اين پيشرفتها و همچنين مزيتها، محدوديتها و برخي مسايل و مشکلات آن خواهيم پرداخت. هر چند اخيراً پيشرفتهاي عمدهاي در توسعة روشهاي سنتزي و کاربرد آنها در پليمرهاي مهندسي صورت گرفته و تحقيقاتي نيز در مورد خيلي از خواص مهندسي آنها صورت گرفته، ولي با اينحال، براي فهميدن مکانيزمهايي که باعث افزايش کارايي در نانوکامپوزيتهاي مرسوم به الياف تقويت ميشوند، مزيتها و امتيازاتي دارد، ولي هنوز نتوانسته تاثيري در بازار کامپوزيتهايي که در آنها جزء اليافي درصد بالايي دارد، ايجاد کند.
موضوع فناوري نانو طي سالهاي اخير بطور فزايندهاي مطرح شده است. عرصة نانو، محدودهاي بين ابعاد ميکرو و ابعاد مولکولي است و اين محدودهاي است که دانشمندان مواد و شيميدانها در آن به مطالعاتي پرداختهاند و اتفاقاً مورد توجه آنها نيز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولي تکنولوژي که توسط علوم مواد و شيمي توسعه يافته و به نانومقياس معروف است، نبايد به عنوان نانوتکنولوژي تلقي شود. هدف اصلي در نانوتکنولوژي ايجاد کاربردهاي انقلابي و خواص فوقالعاده مواد، با سازماندهي و جنبش آنها و همچنين طراحي ابزار در مقياس نانو ميباشد.
تعريف
نانوکامپوزيتهاي خاکرس / پليمر يک مثال موردي از نانوتکنولوژي هستند. در اين نوع مواد، از خاکرسهاي نوع اسمکتيت (Smectite-type) از قبيل هکتوريت، مونت موريلونيت و ميکاي سنتزي، به عنوان پرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده ميشود. خاکرسهاي نوع اسمکتيت، ساختاري لايهاي دارند و هر لايه، از اتمهاي سيليسيم کوئورانيه شده بصورت چهار وجهي که به يک صفحه هشت وجهي با لبههاي مشترک از Al(OH) 3 يا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکيل شده است. با توجه به طبيعت پيوند بين اين اتمها، انتظار ميرود اين مواد خواص مکانيکي فوقالعادهاي را در جهت موازي اين لايهها نشان دهند ولي خواص مکانيکي دقيق اين لايهها هنوز شناخته نشدهاند. اخيراً با استفاده از روشهاي مدلسازي تخمين زده شده که ضريب يانگ در راستاي لايهها، پنجاه تا چهارصد برابر بيشتر از يک پليمر عادي است. لايهها نسبت صفحهاي (aspect ratio) بالايي دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد، در حاليکه شعاع آن از سي نانومتر تا چند ميکرون، متفاوت ميباشد. صدها يا هزاران عدد از اين لايهها بوسيله يک نيروي واندروالسي ضعيف، روي هم انباشته ميشوند تا يک جزء رسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب اين امکان وجود دراد که رسها را به اشکال و ساختارهاي گوناگوني، درون يک پليمر، به شکل سازمانيافته قرار دهيم.
در گذشته، عمدتاً به اين شکل از دانههاي رسي براي افزايش کارايي پليمر استفاده ميشود که آنها را در حد ميکروني خرد ميکردند تا از آنها در توليد پليمرهاي تقويت شده بوسيله پرکنندههاي در اندازه ميکرون، استفاده کنند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده.
ميتوان تصور کرد که خواص مکانيکي فوقالعاده لايههاي منفرد در اجزاي خاکرس نتوانند در يک سيستم به طرز موثري عمل کنند و پيوندهاي ضعيف بين دو لايه منشاء ايراد در اين کار ميباشد. معمول است که از ميزان بالايي از خاکرس استفاده شود تا به بهبود کافي هر ضرايب دست يابيم، در حاليکه اين کار باعث کاهش استحکام و سختي پليمر ميشود.
شکل 1: اصول کاربردي متفاوت در ساخت ميکرو و نانوکامپوزيتهاي رايج
اصلي که در نانوکامپوزيتهاي خاکرس / پليمر رعايت ميشود، اين است که نه تنها دانههاي رسي را از هم جدا ميکنند، بلکه لايههاي هر دانه را نيز از هم جدا ميکنند (همانطور که در شکل 1 بصورت شماتيک نشان داده شده است) با انجام اين عمل، خواص مکانيکي فوقالعاده هر لايه نيز بطور موثر بکار ميآيد و اين در حالي است که در اجزاي تقويتشده نيز بطور چشمگيري افزايش پيدا ميکند، زيرا هر جزء رسي خود از صدها تا هزارات لايه تشکيل شده است.
ويژگيها نانوکامپوزيتهاي خاک رس / پليمر
يکي از دستاوردهاي تحقيقات اين است که مشخص شده که بسياري از خواص مهندسي هنگاميکه از ميزان کمي معمولاً چيزي کمتر از 5% وزني، پرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مييابد. در پليمرهايي چون نايلون (nylon-6) 6 هرگاه از چنين ميزان کمي پرکننده استفاده شود، يک افزايش 103 درصدي در ضريب يانگ، 49 درصدي در قدرت کشساني و 146 درصدي در مقاومت در برابر تغيير شکل بر اثر گرما، از خود نشان ميدهد. ساير خواص فيزيکي بهبود يافته عبارتند از: مقاومت در برابر آتش، مقاومت بارير (barrier resistance) و هدايت يوني.
امتياز ديگر نانوکامپوزيتهاي خاک رس / پليمر اين است که تاثير قابل توجهي بر خواص اپتيکي پليمر ندارند. ضخامت يک لايه رس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است، بنابراين نانوکامپوزيتهاي خاکرس / پليمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتيکي شفاف ميباشد. ميکرو نانوکامپوزيتهايي که تصويرشان در شکل 1 نشان داده شده، از ترکيب خاکرس و پليپروپيلن و با استفاده از روش سرد کردن سريع جهت به حداقل رساندن اثر کريستاليزاسيون، ساخته شدهاند. ميکروکامپوزيتهاي مرسوم، قهوهاي و مات به نظر ميرسند، در حاليکه نانوکامپوزيتها تقريباً شفاف و بيرنگند. با اين دلايل، نتيجه ميگيريم که نانوکامپوزيتهاي خاكرس/ پليمر نمايش خوبي از نانوتکنولوژي ميباشد. با سازماندهي و چينش ساختار کلي در پليمرها در مقياس نانومتر، مواد جديد با خواص نو يافت شدهاند. نکته ديگر در توسعه نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر اين است که اين تکنولوژي، فوراً ميتواند کاربرد تجاري پيدا کند، در حاليکه بيشتر نانوتکنولوژيهاي ديگر، هنوز در مرحله مفاهيم و اثبات هستند.
كاربردهاي نانوکامپوزيتهاي خاک رس / پليمر
اولين کاربرد تجاري اين مواد با استفاده از نانوکامپوزيت خاكرس / نايلون 6 بعنوان روکش نوار زمانسنج براي ماشينهاي تويوتا در همکاري با ube در سال 1991 بود. به فاصله کمي بعد از آن Unikita نانوکامپوزيت نايلون6 را بعنوان محافظ روي موتورهاي GDI شرکت ميتسوبيشي معرفي کرد. در آگوست 2001، ژنرال موتورز و باسل، کاربرد نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر را بعنوان جزء مکمل COMC ساخاري و شورلت اکستروژنها به همگان اعلام کرد. اين امر با کاربرد اين نانوکامپوزيتها در دربهاي شورلت ايمپالاز (Impalas) صورت گرفت.
اخيراً شرکت نوبل پليمرز (Noble/Polymers) نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليپروپيلن را براي استفاده در صندليهاي هندا آکورد ساخته است و اين در حالي است که Ube دارد نانوکامپوزيتهاي خاكرس / نايلون12 (clay/nylon-12) را براي استفاده در اجزاي سيستم سوخترساني، توليد ميکند.
علاوه بر کاربرد در صنعت خودرو، نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر، به صنايع نوشيدنيها نيز راه يافتهاند. Alcos CSZ نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر چندلايه را در کاربردهاي جديد خود (بعنوان مواد خطي – سدي) (barrier liner materials) بکار ميبرد. شرکت Honey well محصولات نانوکامپوزيت خاكرس / پليمري Aegis TM NC resin را در بستهبندي نوشيدنيها بکار ميبرد و اخيراً شرکتهاي Mitsubishi Gas Chemical و Nano car ، نانوکامپوزيتهاي Nylon-MXD6 را براي ساخت بطريهاي چند لايه (polyethylene terephtalate) PET ساخته است.
تاريخچه نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر
اگرچه تحقيقات در مورد ترکيب خاكرس/ پليمر به قبل از 1980 برميگردد، ولي کارهايي که در آن زمان صورت گرفت را نبايد در تاريخچه نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر به حساب آورد، چرا که هيچگاه به نتيجه چشمگيري براي بهبود خواص فيزيکي و مهندس آنها ختم نشد. در حقيقت ميتوان منشاء نانوتکنولوژي خاكرس / پليمر را کارهاي شرکت تويوتا که تلاش براي لايهلايه کردن دانههاي رسي در نايلون6 شروع شد، دانست. آنها فاش ساختند که توانستهاند بهبود قابل توجهي در خواص پليمرها، با تقويتشان بوسيله خاک رس در مقياس نانومتر، ايجاد کنند. از آن موقع به بعد تحقيقات وسيعي در اين زمينه در سطح جهان انجام شده است. در حال حاضر اين بهبودها به ساير پليمرهاي مهندسي از جمله پليپروپيلن (PP) ، پلياتيلن، پلياستايرن، پليوينيل کلريد، آکريلونيتريل، پليمرهاي بوتا اي ان اسنايرن (ABS) ، پليمتيل متاکريلات، PET ، کوپليمرهاي اتيلن سوينيل استات، پلياکريلونيتريل، پليکربنات، پلياتيلن اکسيد (PEO) ، اپوکسي رزين، پلياميد، پليلاکتيد، پليکاپرولاکتون، فنوليک رزين، پليپيفنيلن وينيلن، پليپيرول، لاستيک، استارک (آهار)، پلياوراتان، پليوينيل پيريدين، سرايت کرده.
تکنولوژي ساخت نانوکامپوزيتهاي خاکرس / پليمر
مرحله نهايي در ساخت نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر، جدا جدا کردن لايههاي رسي و پخش آن در پليمر ميباشد. استراتژي کار بستگي دارد به سازگاري و همگون بودن رس و پليمري که استفاده ميشود. اين تعيين ميکند که آيا نياز به عمليات مقدماتي روي خاكرس يا پليمر قبل از مخلوط کردن هست يا نه. اگر سطح لايههاي سيليکاتي با پليمر، سازگار و همگون باشد، اختلاط مستقيم بين اين دو ميتواند اتفاق بيفتد، بدون اينکه نياز به عمليات مقدماتي باشد. چنين مواردي بيشتر وقتي اتفاق ميافتد که پليمر قابل حل در آب، مانند PEO يا PVP استفاده کنيم، چرا که اين پليمرها و سطح لايههاي سيليکات، هر دو آبدوست هستند و نيروهاي دوقطبي يا واندروالسي بين لايههاي سيليکات، باعث سهولت جذب مولکولهاي آبدوست و ايجاد فشارهاي عمودي روي لايه ميشود که در نتيجه باعث جداکردن تکتک لايههاي رسي در اين پليمرها ميگردد.
اما به هر حال، بيشتر پليمرها آب گريز و در نتيجه با دانههاي رسي آبدوست، ناسازگار هستند. در اين موارد نياز به يکسري عمليات مقدماتي روي خاکرس يا پليمر داريم. پرکاربردترين روشهاي براي اصلاح دانههاي رسي، استفاده از آمينواسيدها، نمکهاي آمونيم آلي و يا فسفونيم تترا ارگانيکهاست تا سطح آبدوست رسها را به آب گريز تبديل کنيم. دانههاي رسي که به اين روش اصلاح ميشوند، ارگانوکلي ناميده ميشوند. در مورد پليمرهايي که فاقد هرگونه گروه عاملي ميباشند، مانند پليپروپيلن (PP) ، معمولاً از تکنيکهاي افزودن گروه عاملي قطبي روي زنجيره پليمري استفاده ميشود و يا اينکه در طي فرآيند ساخت، پليمرهاي پيوند خورده را بصورت مستقيم وارد ميکنند. مثلاً در نانوکامپوزيتهاي رسي / پليپروپيلن (clay PP) از مالئيک اسيد پيوند خورده به پليپروپيلن، بصورت مستقيم استفاده شده است. در طي پيشرفتهاي اخير، از مخلوطي که پلي پروپيلن، پروپيلن پيوند خورده با مالئيک ايندريد و ارگانوکلي استفاده شده است.
روشهاي زيادي در توليد نانوکامپوزيتها استفاده شده، ولي سه روشي که از ابتداي کار توسعه بيشتري يافتهاند عباراند از: پليمريزاسيون in situ ، ترکيب محلول القاشدن و فرآيند ذوبي .
روش اينسيتو عبارت است از وارد نمودن يک پيش ماده پليمري بين لايههاي رسي و آنگاه پهن کردن و سپس پاشيدن لايههاي رسي درون ماده زمينه (matrix) با پليمريزاسيون. ابتکار اين روش بوسيله گروه تحقيقاتي شرکت تويوتا بود و زماني رخ داد که ميخواستند نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر6 را بسازند. اين روش قابليت و توانايي توليد نانوکامپوزيتهايي با لايه لايه شدگي خوب را دارد و در محدوده وسيعي از سيستمهاي پليمري، کاربرد دارد. اين روش براي کارخانههاي پليمر خام مناسب است تا در فرآيندهاي سنتزي پليمر، نانوکامپوزيتهاي رسي / پليمر بسازند و مخصوصاً براي پليمرهاي ترموستينگ (پليمرهايي که در برابر گرما مستحکمتر ميشوند) بسيار مفيد است.
روش ترکيب محلول القا شده (solution induced interceletion) از يک حلال براي بارگيري و پخش رسها در محلول پليمري استفاده ميشود. اين روش هنوز مشکلات و موانع زيادي را در راه توليد تجاري نانوکامپوزيتها پيش رو دارد. قيمت بالاي حلالهاي مورد نياز و همچنين مشکل جداسازي فاز حلال از فاز محلول توليد شده، از جمله اين موانع هستند. همينطور در اين روش، نگرانيهايي از نظر امنيت و سلامتي وجود دارد . با اين وجود اين روش در مورد پليمرهاي محلول در آب قابل اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قيمت پايين آب که بعنوان حلال استفاده ميشود و همچنين امنيت بيشتر و خطر کمتر آن براي سلامتي.
در روش فرآيند ذوبي، ترکيب خاكرس و پليمر در حين ذوب شدن انجام ميشود. بازده و کارآيي اين روش به اندازه روش اينسيتو نيست و کامپوزيتهاي توليد شده، ورقهورقه شدگي کمي دارند. به هر حال اين روش ميتواند در صنايع توليد پليمر قديمي که در آنها از روشهاي قديمي مانند قالبگيري و تزريق (Extrution and injection molding) استفاده ميشود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمي در افزايش سرعت پيشرفت توليد تجاري نانوکامپوزيتهاي رس / پليمر ايفا کرده است.
علاوه بر اين سه روش با روشهاي ديگر نيز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکيب جامد، کوولکانيزاسيون و روش سل-ژل. اين روشها بعضاً در مراحل ابتدايي توسعه هستند و هنوز کاربرد وسيع پيدا نکردهاند.
رقابت نانوکامپوزيتهاي خاکرس / پليمر با کامپوزيتهاي اليافي
با پيدا شدن سروکله تکنولوژي نانوکامپوزيت، جهشي در زمينه تقويت پليمرها بوجود آمده، و معقول به نظر ميرسد که فکر کنيم نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر، بتوانند جاي کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف مرسوم را بگيرند.
از نظر تئوري، تقويت پليمرها در مقياس نانويي، امتيازات برتري نسبت به کامپوزيتهاي تقويتشده با الياف دارند. ضعف کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف، در واقع يک شکست در راه استفاده مفيد از خواص ذاتي و طبيعي مواد است. مثلاً سعي ميکنيم که با بکارگيري پيوندهاي قوي کووالانسي و استفاده از صفحههاي آروماتيک ساختار گرافيتي، مواد کربني را مستحکمتر کنيم. در حاليکه الياف کربني که امروزه استفاده ميشود، تنها 3 تا 4 درصد استحکام نظري صفحات آروماتيک را به دست ميدهند. عدم اتصال داخلي بين صفحات آروماتيک در ساختار الياف کربني، مانع دستيابي به استحکام مطلوب مواد ميشود، در حاليکه اين مشکل در مورد نانوکامپوزيتهاي تقويتشده با پرکنندههاي لايهاي وجود ندارد. هنگاميکه از پرکنندههاي لايهاي و ورقهاي در زمينه پليمري استفاده ميشود، اتصالات و پيوندهاي داخلي بوجود آيد و بنابراين حداکثر استفاده از خواص ذاتي و طبيعي لايههاي منفرد ميشود.
در حقيقت خواص مکانيکي بدست آمده، در بهترين نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر بسيار کمتر از کامپوزيتهايي است که از درصد بالايي الياف، براي تقويت استفاده ميکنند. در حال حاضر بيشترين پيشرفتها و بهبودها در خواص مکانيکي نانوکامپوزيتهاي خاكرس / نايلون6 بدست آمده که در آنها 4 درصد وزني از خاكرس بارگذاري شده است. شکل 2 ضريب و قدرت کشساني اين نانوکامپوزيت را با نايلون 60 و نايلون 60 تقويت شده با 48 درصد وزني، الياف خرده شيشهاي نشان ميدهد. مشاهده ميشود که بهترين نانوکامپوزيت خاكرس / پليمري، هنگاميکه حجم بالايي از جز را تقويتکننده اليافي مطرح باشد، نميتواند با کامپوزيتهاي اليافي همساني و رقابت کند. به منظور دستيابي به خواص مکانيکي بهتر عناصر تقويتکننده بيشتري در نانوکامپوزيتهاي خاكرس / پليمر مورد نياز است، در حاليکه چنين کاري غيرممکن است. زيرا هنگاميکه عمل لايه لايه شدن اتفاق ميافتد، سطح تماس لايههاي رسي صدها و بلکه هزاران برابر ميشود و اين باعث ميشود که مولکولهاي پليمر کاني، براي خيس کردن تمام سطح تقويتکنندههاي رسي نداشته باشيم. منبع:كميته نانو فناوري
نانوتكنولوژی و كاربردهای آن
نانوتكنولوژی
فناوری نوین نانوتكنولوژی، تمام دنیا را فرا گرفته است. به بیان دیگر، «نانوتكنولوژی بخشی از آینده نیست بلكه همه آینده است». در این نوشتار بعد از تعریف نانوتكنولوژی و بیان كاربردهای آن دلایل و ضرورتهای توجه به این فناوری، بیان شده است.
● تعریف نانوتكنولوژی و آشنایی با آن
نانوتكنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستمهای جدید با كنترل سطوح مولكولی و اتمی و استفاده از خواصی است كه در آن سطوح ظاهر میشود. نانوتكنولوژی، رشتهای جدید نیست، بلكه رویكردی جدید به تمام رشتههاست. نانوتكنولوژی، در حوزههای مختلفی نظیر: غذا، دارو، تشخیص پزشكی، بیوتكنولوژی، الكترونیك، رایانه، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوافضا و امنیت ملی، كاربرد دارد. كاربردهای وسیع و پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی نانوتكنولوژی آن را به زمینهای فرابخشی، تبدیل كرده است.
آزمایش و تحقیق در مورد نانوتكنولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم بهطور جدی پیگیری شد، اما آثار معجزهآسا و باور نكردنی آن در روند تحقیق و توسعه، توجه همه كشورهای بزرگ را به خود جلب كرد. این امر، فناوری نانو را به یكی از مهمترین اولویتهای تحقیقاتی در دهه اول قرن بیست و یكم، تبدی كرد.
استفاده از فناوری نانو در علوم پزشكی، پتروشیمی، مواد، صنایع دفاعی، الكترونیك، رایانههای كوانتومی و غیره آن را به عنوان چالشی علمی و صنعتی برای جهانیان مطرح كرد. محققان، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در بسیجی همگانی، جایگاه، موقعیت و وضعیت خویش را در مورد این موضوع، مشخص كنند و با برنامهریزی علمی و دقیق به حضوری فعال و رقابتی سالم در این جایگاه روی آورند. طراحی برنامهای منسجم، فراگیر و همه جانبه برای این منظور، اجتنابناپذیر است.
● نانوتكنولوژی و كاربردهای آن
فناوری نانو، عنصری اساسی باری درك بهتر طبیعت در دهههای آینده خواهد بود. همكاریهای تحقیقاتی میان رشتهای، آموزش خاص و انتقال ایدهها و افراد به صنعت از جمله مزایای نانوتكنولوژی در آینده است. بخشی از تأثیرات و كاربردهای نانوتكنولوژی به شرح زیر است:
۱) تولید، مواد و محصولات صنعتی
نانوتكنولوژی تغییر بنیانی مسیری است كه در آینده، موجب ساخت مواد و ابزار خواهد شد. امكان سنتز بلوكهای ساختمانی نانو با اندازه و تركیب به دقت كنترل شده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگتر، كه دارای خواص و كاركرد منحصر به فرد باشند، انقلابی در مواد و فرایندهای تولید آنها، ایجاد میكند. محققان، ساختارهایی از مواد را ایجاد خواهند كرد كه در طبیعت وجود ندارد و شیمی مرسوم، قادر به ایجاد آنها نیست. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتند از: مواد سبكتر، قویتر و قابل برنامهریزی، كاهش هزینه عمر كاری با كاهش دفعات نقص فنی، ابزار نوین بر پایه اصول و معماری جدید و بهكارگیری كارخانههای مولكولی یا خوشهای كه مزیت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
۲) پزشكی و بدن انسان
رفتار مولكولی در مقیاس نانومتر، سیستمهای زنده را اداره كرده و مقیاسی را ایجاد میكند كه شیمی، فیزیك، زیستشناسی و شبیهسازی رایانهای به آن سمت گرایش دارند.
نانوتكنولوژی، فراتر از استفاده بهینه از دارو، فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو[۱] تهیه میكند و توان درمانی داروها را به نحو حیرتانگیزی، افزایش میدهد.
مواد زیست سازگار با كارایی بالا، از توانایی بشر در كنترل نانوساختارها به دست میآیند. نانو مواد سنتزی معدنی و آلی را میتوان نظیر اجزای فعال، برای اعمال نقش تشخیصی، (مثل ذرات كوانتومی كه برای مرئیسازی به كار میرود) درون سلولها وارد كرد.
افزایش توان محاسباتی به وسیله نانوتكنولوژی، ترسیم وضعیت شبكههای ماكرومولكولی را در محیطهای واقعی ممكن میكنند. اینگونه شبیهسازیها برای بهبود قطعات كاسته شده زیست سازگار در بدن و برای فرایند كشف دارو، الزامی هستند.
۳) دوامپذیری منابع كشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاك
نانوتكنولوژی تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب ایجاد میكند و پساب و آلودگی را كاهش میدهد. همچنین فناوریهای جدید، امكان بازیافت مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند كرد. نانوتكنولوژی، بر محیط زیست، تأثیری قابل توجه دارد. از آن جمله: ایجاد و درمان مسائل زیست محیطی با كنترل انتشار آلایندهها، توسعه فناوریهای «سبز» جدید كه محصولات جانبی كمتری دارند. نانوتكنولوژی، توان حذف آلودگیهای كوچك از منابع آبی (كمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازهگیری و تخفیف مداوم آلودگی را در مناطق بزرگتر دارد.
نانوتكنولوژی میتواند كارایی، ذخیرهسازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار دهد مصرف آن را كاهش دهد. برای مثال، شركتهای مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت شده با نانوذرات را ساختهاند كه میتواند جایگزین اجرای فلزی بدنه خودروها باشد. استفاده گسترده از این نانوكامپوزیتها سالیانه ۵/۱ میلیارد لیتر صرفهجویی در مصرف بنزین، ایجاد میكند.
فناوری روشنایی در ۱۰ سال آینده، تغییرات عمدهای خواهد داشت. نیمه هادیهای مورد استفاده در دیودهای نورانی (LEDها) به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید خواهد شد. تقریباً ۲۰ درصد از كل برق تولیدی امریكا، صرف روشنایی (چه لامپهای التهابی معمولی و چه فلوئورسنت) میشود، اما مطابق پیشبینیها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، پیشرفتهای نانوتكنولوژی، مصرف جهانی را بیش از ۱۰درصد كاهش میدهد و سالانه ۱۰۰ میلیارد دلار، صرفهجویی و ۲۰۰ میلیون تن، كاهش انتشار كربن را به همراه دارد.
۴) هوا و فضا
محدودیتهای شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن و ارسال فضاپیما برای مأموریتهای طولانی به مناطق دور از خورشید، كاهش اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتنابناپذیر میكند. مواد و ابزار نانوساختاری، امیدهایی را برای حل این مشكل، ایجاد كرده است.
«نانو ساختن[۲]، طراحی و ساخت مواد سبكوزن، پرقدرت و سكوهای اكتشافی سیارهای یا خورشیدی، فراهم كرده است. استفاده روزافزون از سیستمهای كوچك شده خودكار به پیشرفتهای شگرف در فناوری ساخت و تولید میانجامد. توجه به اینكه محیط فضا، نیروی جاذبه كم و خلأ بالا دارد، توسعه نانوساختارها و سیستمهای نانو كه ساخت آنها در زمین ممكن نیست در فضا میسر خواهد شد.
۵) امنیت ملی
برخی كاربردهای دفاعی نانوتكنولوژی عبارتند از: تسلط اطلاعاتی با نانوالكترونیك پیشرفته به عنوان قابلیتی مهم و نظامی، امكان آموزش مؤثر نیرو به كمك سیستمهای واقعیت مجازی پیچیده و به دست آمده از الكترونیك نانوساختاری، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیك پیشرفته برای جبران كاهش نیروی انسانی نظامی، كاهش خطر برای سربازان و بهبود كارایی خودروهای نظامی، دستیابی به كارایی بالاتر (وزن كمتر و قدرت بیشتر) در صحنههای نظامی، كاهش نقص فنی و هزینه در عمر كاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در شناسایی و مراقبت از عوامل شیمیایی، زیستی و هستهای، بهبود طراحی در سیستمهای كنترل و مدیریت عدم تكثیر سلاحهای هستهای، تلفیق ابزار نانو و میكرومكانیكی برای كنترل سیستمهای دفاع هستهای، فرصتهای اقتصادی و نظامی مكمل یكدیگرند. كاربردهای درازمدت نانوتكنولوژی در زمینههای دیگر، پشتیبانی كننده امنیت ملی خواهد بود.
۶) كاربرد نانوتكنولوژی در صنعت الكترونیك
نانوتكنولوژی، ذخیره اطلاعات را در مقیاس فوقالعاده كوچك، ممكن میكند. فناوری نانو، ظرفیت ذخیره اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش میدهد و در نهایت، ابزار ابرمحاسباتی كوچكی به اندازه ساعت مچی، ساخته خواهد شد.
اگر ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یك ترابیت در هر اینچ ربع برسد، ذخیره ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در هارد دیسكی با ابعاد یك كارت اعتباری، ممكن خواهد شد.
ساخت تراشهها در اندازههایی كوچك نظیر ۳۲ تا ۹۰ نانومتر و یا تولید دیسكهای نوری ۱۰۰ گیگا بایتی در اندازههای كوچك از جمله این موارد است.
● تاریخچه فناوری نانو در جهان
۴۰ سال پیش، Richard Feynman متخصص كوانتوم نظری و دارند جایزه نوبل، بعد رشد نیافته علم مواد را بررسی كرد. وی در كنفرانس معروف خود عنوان «آن پایین فضایی بسیار وجود دارد»[۳] گفت: «اصول فیزیك، تا آنجا كه من آن را میفهمم، برخلاف امكان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمیزند» او فرض را بر این قرار داد كه اگر دانشمندان چگونگی ساخت ترانزیستورها و دیگر سازهها را با مقیاسهای كوچك، فرا گرفتهاند. پس ما میتوانیم آنها را كوچك و كوچكتر كنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقی خود در لبههای نامعلوم كوانتوم، نزدیك خواهند بود به گونهای كه یك اتم را در مقابل دیگری به گونهای قرار میدهیم كه بتوانیم كوچكترین محصول مصنوعی و ساختگی ممكن را ایجاد كنیم. با استفاده از این فرمهای بسیار كوچك چه وسایلی را ایجاد خواهیم كرد؟
Feynman ذر ذهن خود «دكتری مولكولی» تصور كرد كه صدها بار از سلولی منحصر به فرد، كوچكتر است و به بدن انسان تزریق میشود. این دكتر مولكولی، درون بدن برای انجام كاری، تأیید سلامتی سلولها، انجام اعمال ترمیمی و نگهداری بدن در سلامت كامل، سیر میكند. در بحبوبه؟؟؟ سالهای صنعتی، واژه «بزرگ» اهمیتی ویژه داشت. حتی رایانهها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال میكردند. زمانی كه Feynman، نظرات و منطق خود را بازگو كرد، جهان به سوی كوچك شدن، گام برداشت.
تفكرات Marvin Minsky به اندیشههای Feynman قوت بخشید. Minsky، پدر پاینده هوشهای مصنوعی دهه ۷۰-۱۹۶۰، جهان را در تفكرات مربوط به آینده، رهبری میكرد. Eric Drexler در اواسط دهه ۷۰ Minsky را استاد راهنمای پایاننامه خود انتخاب كرد. Drexler به وسایل بسیار كوچك Feynman علاقهمند شده بود و میخواست مورد توانایی آنها را بررسی كند. Drexler در اوایل دهه ۸۰، درجه استادی خود را در رشته علوم رایانه دریافت كرده و انجمنی از دانشجویان را به دور خود جمع كرده بود. او افكار جوانان را با «نانوتكنولوژی» مشغول كرده بود. Drexler اولین مقاله خود را در مورد نانوتكنولوژی مولكولی (MNT) در ۱۹۸۱ ارائه داد. او كتاب Engin Of Creation: The coming era of Nanotechnology را در ۱۹۸۶ چاپ كرد. Drexler درجه دكترای نانوتكنولوژی را در ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT دریافت كرد. او پیشروی طرح نانوتكنولوژی و هماكنون رئیس انستیتو Foresight و Research Fellow است.
منبع:http://ml.blogfa.com/post-214.aspx
فناوري نانو چيست؟
نانوتکنولوژي و آشنايي با آن
نانوتکنولوژي، فناوري جديد است که تمام دنيا را فرا گرفته است و به تعبير دقيقتر "نانوتکنولوژي بخشي از آينده نيست بکله همه آينده است" . در اين نوشتار بعد از تعريف نانوتکنولوژي و بيان کاربردهاي آن دلايل و ضرورتهاي توجه به اين فناوري آورده شده است:
تعريف نانوتکنولوژي و آشنايي با آن
نانوتکنولوژی، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر ميشود. از همين تعريف ساده برميآيد که نانوتکنولوژی يک رشته جديد نيست، بلکه رويکردي جديد در تمام رشته هاست. براي نانوتکنولوژي کاربردهايي را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشکي و بيوتکنولوژي تا الکترونيک، کامپيوتر، ارتباطات، حملونقل، انرژي، محيط زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده اند.کاربردهاي وسيع اين عرصه به همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فن آوري را بهعنوان يک زمينه فرا رشتهاي و فرابخش مطرح نموده است.
هر چند آزمايشها و تحقيقات پيرامون نانوتکتولوژي از ابتداي دهه 80 قرن بيستم بطور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول آفرين، معجزه آسا و باورنکردني نانوتکنولوژي در روند تحقيق و توسعه باعث گرديد که نظر تمامي کشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب گردد و فناوري نانو را به عنوان يکي از مهمترين اولويتهاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست و يکم محسوب نمايند .
استفاده از اين فنآوري در کليه علوم پزشکي، پتروشيمي، علوم مواد، صنايع دفاعي، الکترونيک، کامپوترهاي کوانتومي و غيره باعث شده که تحقيقات در زمينه نانو بهعنوان يک چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان باشد. لذا محققين، اساتيد و صنعتگران ايراني نيز بايد در يک بسيج همگاني، جايگاه، موقعيت و وضعيت خويش را در خصوص اين موضوع مشخص نمايند و با يک برنامهريزي علمي دقيق و کارشناسانه به حضوري فعال و حتي رقابتي سالم در اين جايگاه، عرضاندام و ابراز وجود نمايند و براي چنين کاري طراحي يک برنامه منسجم، فراگير و همه جانبه اجتنابناپذير است.
نانوتكنولوژي و كاربردهاي آن
علوم و فناوري نانو، عنصر ي اساسي در درك بهتر طبيعت در دهههاي آتي خواهد بود. از جمله موارد مهم در آ ي نده، همكاريهاي تحقيقاتي ميانرشتهاي، آموزش خاص و انتقال ايدهها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشي از تأثيرات و کاربردهاي نانوتکنولوژي بهشرح زير ميباشد:
1 – توليد ، مواد و محصولات صنعتي :
نانوتكنولوژي تغيير بنياني مسيري است كه در آينده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امكان سنتز بلوكهاي ساختماني نانو با اندازه و تركيب به دقّت كنترلشده و سپس چيدن آنها در ساختارهاي بزرگتر، كه داراي خواص و كاركرد منحصربهفرد باشند، انقلابي در مواد و فرآيندهاي توليد آنها، ايجاد ميكند. محقّقين قادر به ايجاد ساختارهايي از مواد خواهند شد كه در طبيعت نبوده و شيمي مرسوم نيز قادر به ايجادشان نبودهاست. برخي از مزاياي نانوساختارها عبارتست از: مواد سبكتر، قويتر و قابل برنامهريزي ؛ كاهش هزينة عمر كاري از طريق كاهش دفعات نقص فنّي ؛ ابزارهايي نوين بر پاية اصول و معماري جديد ؛ بكارگيري كارخانجات مولكولي يا خوشهاي كه مزيّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.
2- پزشکي و بدن انسان:
رفتار مولكولي در مقياس نانومتر، سيستمهاي زنده را اداره ميكند. يعني مقياسي كه شيمي، فيزيك، زيستشناسي و شبيهسازي كامپيوتري، همگي به آن سمت درحال گرايش هستند.
• فراتر از سهلشدن استفادة بهينه از دارو، نانوتكنولوژي ميتواند فرمولاسيون و مسيرهايي براي رهايش دارو ( Drug Delivery ) تهيه كند، كه بهنحو حيرتانگيزي توان درماني داروها را افزايش ميدهد.
• مواد زيستسازگار با كارآيي بالا، از توانايي بشر در كنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزي معدني و آلي را مثل اجزاي فعّال، ميتوان براي اعمال نقش تشخيصي (مثل ذرات كوانتومي كه براي مرئيسازي بكار ميرود) درون سلولها وارد نمود.
• افزايش توان محاسباتي بوسيلة نانوتكنولوژي، ترسيم وضعيت شبكههاي ماكرومولكولي را در محيطهاي واقعي ممكن ميسازد. اينگونه شبيهسازيها براي بهبود قطعات كاشتهشدة زيستسازگار در بدن و جهت فرآيند كشف دارو، الزامي خواهدبود.
3- دوامپذيري منابع: كشاورزي، آب، انرژي، مواد و محيط زيست پاك:
نانوتكنولوژي چنان چ ه ذكر شد، منجر به تغييرات ي شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پس ا ب و آلودگي را كاهش خواهدداد. همچنين فنّاوريهاي جديد، امكان بازيافت و استفادة مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواه ن د كرد. در زمينه محيط زيست ، علوم و مهندسي نانو، ميتواند تأثير قابل ملاحظهاي ، در درك مولكولي فرآيندهاي مقياس نانو كه در طبيعت رخ ميدهد ؛ در ايجاد و درمان مسائل زيستمحيطي از طريق كنترل انتشار آلايندهها ؛ در توسعة فنّاوريهاي "سبز" جديد كه محصولات جانبي ناخواستة كمتري دارند و ي ا در جريانات و مناطق حاوي فاضلاب، داشتهباشد. لازم به ذكراست، نانوتكنولوژي توان حذف آلودگيهاي كوچك از منابع آبي (كمتر از 200 نانومتر) و هوا (زير 20 نانومتر) و اندازهگيري و تخفيف مداوم آلودگي در مناطق بزرگتر را دارد.
در زمينه انرژي ، نانوتكنولوژي ميتواند بهطور قابل ملاحظهاي كارآيي، ذخيرهسازي و توليد انرژي را تحت تأثير قرار د ا د ه مصرف انرژي را پايين بياورد . به عنوان مثال، شركتهاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويتشده با نانوذرات را ساختهاند كه ميتواند جايگزين اجزاي فلزي بدنة اتومبيلها شود. استفاده گسترد ه ازاين نانوكامپوزيتها ميتواند ساليانه 5/1 ميليارد ليتر صرفهجويي مصرف بنزين به همراه داشتهباشد .
يا انتظار ميرود تغييرات عمدهاي در فنّاوري روشنايي در 10 سال آينده رخ دهد. ميتوان نيمههاديهاي مورد استفاده در ديودهاي نوراني ( LED ها) را به مقدار زياد در ابعاد نانو توليد كرد. در ا مريکا ، تقريبا" 20% كل برق توليدي، صرف روشنايي (چه لامپهاي التهابي معمولي و چه فلوئورسنت) ميشود. مطابق پيشبينيها در 10 تا 15 سال آينده ، پيشرفتهايي از اين دست ميتواند مصرف جهاني را بيش از 10% كاهش دهد كه 100 ميليارد دلار در سال صرفهجويي و 200 ميليون تن كاهش انتشار كربن را بههمراه خواهدداشت .
4 - هوا و فضا :
محدوديتهاي شديد سوخت براي حمل بار به مدار زمين و ماوراي آن، و علاقه به فرستادن فضاپيما براي مأموريتهاي طولاني به مناطق دور از خورشيد ، كاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفي را اجتنابناپذير ميسازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاري، اميد حل اين مشكل را بوجود آوردهاست.
"نانوساختن" ( Nanofabrication ) همچنين در طرّاحي و ساخت مواد سبكوزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنياز براي هواپيماها، راكتها، ايستگاههاي فضايي و سكّوهاي اكتشافي سيّارهاي يا خورشيدي، تعيينكننده است. همچنين استفادة روزافزون از سيستمهاي كوچكشدة تمام خودكار، منجر به پيشرفتهاي شگرفي در فنّاوري ساخت و توليد خواهدشد. اين مسأله با توجه به اينكه محيط فضا، نيروي جاذبة كم و خلأ بالا دارد، موجب توسعة نانوساختارها و سيستمهاي نانو – كه ساخت آنها در زمين ممكن نيست- در فضا خواهدشد.
5- امنيت ملّي:
برخي کاربردهاي دفاعي نانوتکنولوژي عبارتند از: تسلط اطّلاعاتي از طريق نانوالكترونيك پيشرفته بعنوان يك قابليت مهم نظامي ، امكان آموزش مؤثّرتر نيرو، به كمك سيستمهاي واقعيت مجازي پيچيدهتر حاصله از الكترونيك نانوساختاري ، استفادة بيشتر از اتوماسيون و رباتيك پيشرفته براي جبران كاهش نيروي انساني نظامي، كاهش خطر براي سربازان و بهبود كارآيي خودروهاي نظامي ، دستيابي به كارآيي بالاتر (وزن كمتر و قدرت بيشتر) موردنياز در صحنههاي نظامي و در عينحال تعداد دفعات نقص فنّي كمتر و ه ز ينة كمتر در عمر كاري تجهيزات نظامي ، پيشرفت در امر شناسايي و در نتيجه مراقبت عوامل شيميايي، زيستي و هستهاي ، بهبود طرّاحي در سيستمهاي مورد استفاده در كنترل و مديريت عدم تكثير سلاحهاي هستهاي ، تلفيق ابزارهاي نانو و ميكرومكانيكي جهت كنترل سيستمهاي دفاع هستهاي . در بسياري موارد، فرصتهاي اقتصادي و نظامي مكمّل هم هستند. كاربردهاي درازمدت نانوتكنولوژي در زمينههاي ديگر، پشتيباني كننده امنيت ملّي است و بالعكس.
6- کاربرد نانوتکنولوژي در صنعت الکترونيک
ذخيرهسازي اطلاعات در مقياس فوق العاده کوچک، با استفاده از اين فناوري ميتوان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد 1000 برابر يا بيشتر افزايش دهد و نهايتاً به ساخت ابزارهاي ابرمحاسباتي به کوچکي يک ساعت مچي منتهي شود.
ظرفيت نهايي ذخيره اطلاعات به حدود يک ترابيت در هر اينچ ربع برسد، و اين امر موجب ميشود که ذخيره سازي 50 عدد DVD يا بيشتر در يک هارد ديسک با ابعاد يک کارت اعتباري شود.
ساخت تراشهها در اندازههاي فوقالعاده کوچک به عنوان مثال در اندازههاي 32 تا 90 نانو متر، توليد ديسکهاي نوري 100 گيگا بايتي در اندازههاي کوچک نيز ميباشد.
تاريخچه فناوري نانو در جهان
چهل سال پيش Richard Feynman ، متخصص کوانتوم نظري و دارنده جايزه نوبل، درسخنراني معروف خود در سال 1959 با عنوان " آن پايين فضاي بسياري هست "( Ther is plenty of room in the bottom ) به بررسی بعد رشد نيافته علم مواد پرداخت. وي درآن زمان اظهار داشت : "اصول فيزيک، تا آنجايي که من توانايي فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چيزها حرفي نميزنند." او فرض را بر اين قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفتهاند که چگونه ترانزيستورها و ديگر سازهها را با مقياسهاي کوچک بسازند، پس ما خواهيم توانست که آنها را کوچک و کوچکتر کنيم. در واقع آنها به مرزهاي حقيقيشان در لبههاي نامعلوم کوانتوم نزديک خواهند بود بهطوري که يک اتم را در مقابل ديگري بهگونهاي قرار دهيم که بتوانيم کوچکترين محصول مصنوعي و ساختگي ممکن را ايجاد کنيم.
با استفاده از اين فرمهاي بسيار کوچک چه وسايلي ميتوانيم ايجاد کنيم؟
Feynman در ذهن خود يک "دکتر مولکولي" تصور کرد که صدها بار از يک سلول منحصربه فرد کوچکتر است و ميتواند به بدن انسان تزريق شود و درون بدن براي انجام کاري يا مطالعه و تاييد سلامتي سلولها و يا انجام اعمال ترميمي و بهطور کلي براي نگهداري بدن در سلامت کامل به سير بپردازد. در بحبوبه سالهاي صنعتي کلمه "بزرگ" از اهميت ويژهاي برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژههای مهندسي بزرگ و غيره حتي کامپيوترها در دهه 1950 تمام طبقات ساختمان را اشغال ميکردند. ولي از وقتي Feynman نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندي بهسوي کوچک شدن در پيش گرفت.
Marvin Minsky تفکرات بسيار باروري داشت که ميتوانست به انديشههاي Feynman قوت ببخشد. Minsky پدر يابنده هوشهاي مصنوعي دهه 70-1960 جهان را در تفکراتي که مربوط به آينده ميشد، رهبري ميکرد. در اواسط دهه 70 ، Eric Drexler که يک دانشجوي فارغ التحصيل بود، Minskey را بهعنوان استاد راهنما جهت تکميل پاياننامهاش انتخاب کرد و او نيز اين مسئوليت را بر عهده گرفت. Drexler سبت به وسايل بسيار کوچک Feynman علاقهمند شده بود و قصد داشت تا در مورد تواناييهای آنها به کاوش بپردازد. Minskey نيز با وي موافقت کرد. Drexler در اوايل دهه 80، درجه استادي خود را در رشته علوم کامپيوتر دريافت کرده بود و گروهي از دانشجويان را به صورت انجمني به دور خود جمع نموده بود. او افکار جوانترها را با يک سري ايدهها که خودش "نانوتکنولوژي" نامگذاري کرده، مشغول ميداشت. Drexler اولين مقاله علمي خود را در مورد نانوتکنولوژي مولکولي (MNT) در سال 1981 ارايه داد. او کتاب Engin of Creation:The Coming Era of Nanotechnology را در سال 1986 به چاپ رساند. Drexler تنها درجه دکتري در نانوتکنولوژي را در سال 1991 از دانشگاه MIT دريافت داشت. او يک پيشرو در طرح نانوتکنولوژي است و هماکنون رئيس استيتو Foresight و Research Fellow ميباشد.
تعيين بودجههای کلان در کشورهای صنعتي براي تحقيقات در زمينه نانوتکنولوژي
بسياري از كشورهاي توسعهيافته و در حال توسعه (در حدود 30 كشور)، برنامههايي را در سطح ملي براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتكنولوژي تدوين و اجرا مينمايند. زيرا نانوتكنولوژي به عنوان انقلابي در شرف وقوع، آينده اقتصادي كشورها و جايگاه آنها در جهان را تحت تأثير جدي قرار خواهد داد و اين مس أ له در اين كشورها توسط صاحبنظران و محققان تبيينشده و براي مديران اجرايي به صورت يك امر شفاف و قطعي درآمده است. در بخشي از اين كشورها، در يكي دو سال اخير تحركات شديدي از طرف دولتها براي سرعت بخشيدن به توسعه نانوتكنولوژي صورت گرفته و فعاليتهايي كه تا قبل از اين به صورت خودجوش توسط محققان انجام ميگرفته است، با تشويق و حمايتهاي مستقيم دولت ادامه يافتهاند كه در اين قسمت نمودار ستوني ميزان سرمايه گذاري دولتها آورده شده است:
اهميت مطرح شدن طرح
همانگونه كه اشاره شد بسياري از كشورهاي پيشرفته و در حال پيشرفت، برنامههايي را براي پشتيباني از فعاليتهاي تحقيقاتي و صنعتي نانوتكنولوژي تدوين و اجرا مينمايند. اما يك سوال مهم براي كشور ما و بسياري از كشورها كه هنوز به نانوتكنولوژي به عنوان تمدن آينده علمي توجه كافي نكردهاند، اين است كه آيا بايد با اين روند همراه شد يا نه؟ توجه به فضاي بسيار بزرگ و در حال ايجاد نانوتكنولوژي و حجم وسيع فعاليتهاي مربوط به آن در دنيا، اين باور را به انسان القاء ميكند كه دير يا زود بايد آينده را ديد و براي ورود به آن اقدام نمود.
١1) ورود كشورها به عرصه نانوتكنولوژي اجتنابناپذير است.
بسياري از صاحبنظران و محققان، نانوتكنولوژي را مساوي آينده دانستهاند. به عنوان نمونه كميته مشاوران رئيسجمهور آمريكا در علوم و فناوري در تأييد برنامه ملي نانوتكنولوژي براي سال 2001، از نانوتكنولوژي به عنوان محور آينده جهان ياد ميكند. به دليل تأثيرات اين فناوري بر اكثر فناوريهاي موجود، عقيده صاحبنظران اين است كه متخصصان رشتههاي مختلف بدون گرايش به مباحث مقياس نانو در دهههاي آينده فرصتي براي رشد نخواهند داشت و شكوفايي بسياري از فناوريهاي مهم ازجمله فناوري اطلاعات و بيوتكنولوژي به عنوان دو دستاورد بسيار عظيم قرن بيستم بدون بهرهگيري از نانوتكنولوژي دچار اختلال خواهند شد. از اين جهت اين مسئله براي دانشگاهيان
