نانولولههاي بور، رقيبي براي نانولولههاي کربني
کربن ممکن است اهميت خود را در دنياي نانو از دست بدهد. طبق تازهترين محاسبات محققان چيني، نانولولههاي ساختهشده از عنصر بور ميتوانند تعداد زيادي از همان خواص نانولولههاي کربني که در دنياي نانو اهميت زيادي دارند، را داشته باشند و براي بعضي از کاربردهاي الکترونيکي، آنها حتي ميتوانند بهتر از کربن باشند.
نانولولههاي بور نسبت به ششضلعيهاي متصل بههم سادة نانولولههاي کربني، شكل پيچيدهتري را خواهند داشت؛ چون شيمي بور اجازه چنين الگوهايي را نداده و چنين ساختارهايي از بور ناپايدار خواهند بود. اولين نانولولههاي بوري که در سال 2004 ساخته شدهاند، از يک شبکه مثلثي خميدهشده تشکيل شده بودند.
اما به گفته زيا اُباو يانگ، يي دينگ و جون ني از دانشگاه تسينگهوا در پکن، در اين حالت بهترين پيکربندي براي بور، ايجاد شبکهاي ششضلعي ناپايدار، و افزودن يک اتم اضافي به مرکز بعضي از اين شش ضلعيها است(شکل را ببينيد). آنها محاسبه کردند که اين پايدارترين ساختار تئوري شناختهشده براي يک نانولوله بور است.
همچنين شبيهسازي آنها نشان ميدهد که با اين الگو، نانولولههاي بور ميبايد خواص الکتريکي متغيري داشته باشند: نانولولههاي پهنتر، هادي الکتريسيته خواهند بود؛ اما نانولولههاي باريکتر نيمههادي خواهند بود. ني ميگويد كه در اين صورت ممکن است در نانوافزارههايي مشابه ديودها و ترانزيستورهايي ـ که قبلاً از نانولولههاي کربني ساخته شدهاند ـ بتوان از نانولولههاي بور استفاده كرد.
اين براي ديگر محققان که انتظار دارند همه نانولولههاي بور فلزي باشند، تعجبآور است. سهراب اسماعيلبيگي، از دانشگاه يال در نيوهاون، که اخيراً در يک کار تحقيقاتي نشان دادهاست که همان ساختار، صفحات مسطح پايداري از بور خواهند ساخت؛ ميگويد:" اگر اين درست باشد، بسيار جالب خواهد بود."
اسماعيلبيگي گمان ميکند که براي ساخت نانولولههاي بور نيمههادي مشکلاتي وجود خواهد داشت. کار تحقيقاتي او نشان ميدهد که تعداد زيادي ساختار متفاوت وجود دارد که تقريباً به پايداري اين ساختار هستند؛ بنابراين نانولولههاي واقعي براي داشتن سطوح متغير مستعد هستند. اسماعيلبيگي ميگويد: "من فرض خواهم کرد که اين ساختار فلزيترين نانولولهها را خواهد ساخت."
نانولولههاي بور فلزي نيز مفيد خواهند بود وا بايد از کربن هاديتر باشند. بنا بر نظر اسماعيلبيگي آنها حتي ممکن است در دماهاي بالاتر خاصيت ابررسانايي داشته باشند؛ بنابراين اگر در آينده يک نانورايانه ابررسانا ساخته شود، ممکن است داراي سيمکشي بوري باشد.
براي ساختن واقعي نانولولههاي بور، ني روش ترسيب بخار شيميايي را پيشنهاد ميکند. فرايند ترسيب بخار شيميايي، همينك براي رشد نانولولههاي کربني استفاده ميشود. اين روش به يک کاتاليست اختصاصي از قبيل نانوذرات نيکل نياز دارد. اين کاتاليست بهعنوان يک قالب و بستر براي رشد نانولوله عمل کرده و نانولوله روي آن رشد ميکند. ني ميگويد: "نکته مهم و کليدي براي رشد نانولولههاي بور، پيدا کردن کاتاليستهاي مؤثر است."
نتايج اين تحقيق در مجله Physical Review B منتشر شدهاست.
محافظت از سلول هاي خورشيدي آلي توسط نانوکامپوزيت ها
تحقيقات اخير نشان مي دهد که پوشش دادن ابزار هاي فتوولتائيک آلي (OPV) با يک پليمر داراي نانولوله هاي بور-نيتريد مي تواند به شکل قابل توجهي عمر ابزار را افزايش دهد. محققاني از دانشگاه ويک فارست (WFU) امريکا و موسسه فناوري هند نشان داده اند که با غلظت نانولوله 1.5 درصد مي توان همراه با شفافيت بسيار خوب در محدوده نور مرئي به مقاومت حرارتي بالا دست پيدا کرد.
OPV ها راهي مقرون به صرفه براي بهره گيري از انرژي خورشيدي هستند. با وجود اينکه ابزار هاي فتوولتائيک پليمردار بازدهي ابزار هاي فتوولتائيک سيليکوني را ندارند، اما به دليل انعطاف پذيري، بر روي زير لايه هاي خم شونده قابل استفاده مي باشند. شرايط کاري نامناسب مانند اکسايش، تماس با رطوبت و واکنش هاي فتوشيميايي عمر OPV ها کاهش مي دهند. ديويد کارول از WFU در اين باره گفت: «حذف پرتو فرابنفش از طيف نور مرئي از طريق پراکندگي و يا جذب مي تواند عمر ابزار پليمري را افزايش دهد».
مواد بور-نيتريد، پرتو فرابنفش را از نور فرودي پراکنده مي کنند. کارول اظهار داشت که استفاده از شکل نانولوله اي به جاي شکل لايه اي ساده موجب مي شود تا مقاومت نوساني افزايش يافته و به تبع آن با بهبود رفتار آنتني، بازدهي فرايند پراکندگي پرتو فرابنفش افزايش يابد.
براي ساخت ابزار مذکور ابتدا پوشش نانوکامپوزيتي نانولوله دار را تهيه مي کنند. سپس ابزار OPV کپسول شکل را ساخته و پس از آزمايش خواص، آن را با نانو کامپوزيت پوشش مي دهند. نشان داده شده است که با وجود پوشش کامپوزيتي، انتقال نور ابزار مذکور براي کل طيف نور مرئي بيش از ۹۳ درصد مي باشد (کمينه مقدار لازم براي ابزار فتوولتائيک ۹۰ درصد است). در نهايت با آزمايش در دما هاي ۵۰-۸۵۰ درجه سانتيگراد مشخص شد که مقاومت حرارتي ابزار هاي کامپوزيتي داراي غلظت بور-نيتريد 1.5 درصد به طرز قابل توجهي بيشتر از گونه هاي بدون کامپوزيت است.
جزييات اين بررسي در نشريه Nanotechnology به چاپ رسيده است.
افزايش توجه به واکسن هاي نانوامولسيوني براي ايجاد ايمني در برابر بيماري هاي ويروسي
در سال 2003 محققان دانشگاه ميشيگان با انجام مطالعه اي بر روي حيوانات نشان دادند که مي توان واکسن هاي نانوامولسيوني را با موفقيت در حيوانات از راه بيني تجويز کرد و بدين وسيله سيستم ايمني بدن را تحريک نمود. اين واکسن ها مجموعه اي از يک بخش از ميکروب مورد نظر يا تمام آن به همراه يک نانوامولسيون روغن در آب مي باشند.
نانوامولسيون موجود در اين مجموعه ذراتي بسيار کوچک با اندازه ي 400 نانومتر (يک دويستم ضخامت موي انسان) دارد و با مخلوط کردن روغن سويا، الکل، آب و دترجنت ها به دست مي آيد.
کشش سطحي موجود در ميان نانوذرات اين واکسن ها به غشاها آسيب وارد مي کند و ميکروب ها را از بين مي برد اما به بيشتر سلول هاي انساني به خاطر موقعيت شان در بافت بدن آسيب نمي زند. هم چنين اين واکسن ها قابليت خوبي براي نفوذ به غشاهاي مخاطي بيني دارند و مي توانند ايمني مخاطي را القا نمايند. امروزه توجه زيادي به اين دسته از واکسن ها که ايمني مخاطي را تحريک مي کنند، مي گردد زيرا اين بخش از سيستم ايمني مانع ورود ميکروب هاي مهاجم به داخل بدن مي شود و آنها را در غشاهاي مخاطي از بين مي برد.
به تازگي يک گروه تحقيقاتي ديگر از همين دانشگاه به سرپرستي دکتر جيمز بيکر دو مطالعه جديد را براي اثبات کارآيي اين واکسن ها در برابر ويروس آبله و HIV انجام داده است.
در نخستين مطالعه دکتر بيکر و همکارانش واکسن نانوامولسيوني را طراحي کرده اند که در آن به جاي ويروس زنده ي vaccinia) که بخش ميکروبي واکسن رايج آبله مي باشد) از ويروس کشته شده ي آن استفاده شده است.
آنان دريافتند که واکسن جديد موجب بروز پاسخ سيستم ايمني هومورال و مخاطي مي گردد و همچنين سلول هاي Th1 نيز که از اجزاي مهم ايمني سلولي مي باشند، به آن واکنش نشان مي دهند. بنابراين محققان نتيجه گرفتند که اين واکسن نانو امولسيوني اثرات حفاظتي مشابه واکسن فعلي دارد، بدون اين که در صورت استفاده از آن خطرات ناشي از وجود ويروس زنده (مشابه آن چه که در واکسن هاي معمول وجود دارد) پيش آيد و يا نياز به ادجوونتي براي تقويت پاسخ ايمني مانند آلومينيوم هيدروکسايد داشته باشد که پاسخ التهابي ايجاد مي کند.
نتايج اين مطالعه در شماره ي 15 ماه فوريه ژورنال Clinical Vaccine Immunology چاپ شده است.
دومين مطالعه اين گروه تحقيقاتي بر روي کارآيي واکسن نانوامولسيوني براي ايجاد ايمني در برابر ويروس HIV ) عامل بيماري ايدز) انجام شده و نتايج آن در شماره ي ماه فوريه ژورنال AIDS Research Human Retroviruses چاپ شده است.
با توجه به اين که واکسن ها يي که از راه بيني تجويز مي شوند، مي توانند سيستم ايمني مخاط ناحيه ي تناسلي را تحريک نمايند و اطلاعات تازه نيز نشان مي دهد که ويروس ايدز سيستم ايمني اين ناحيه را درگير مي نمايد، تحريک ايمني مخاطي مي تواند براي حفاظت افراد در مقابل بيماري ايدز مفيد باشد. با توجه به همين مطالب، بيکر و همکارانش با انجام آزمايشي واکسن نانوامولسيوني HIV را از راه بيني به موش ها تجويز نمودند. آنان مشاهده کردند که اين واکسن مي تواند فعاليت ايمني مخاطي، سلولي و آنتي بادي هاي خنثي کننده ي انواع مختلفي از قطعات جداشده ي ويروس ايدز را القا نمايد. بيکر و همکارانش در اين مطالعه از پروتئين g120 که يکي از مهم ترين آنتي ژن هاي پروتئيني سطح ويروس HIV مي باشد و پيش از اين نيز براي تحقيقات در زمينه ي تهيه ي واکسن ايدز بسيار به کار برده شده، به عنوان بخش ميکروبي واکسن استفاده کردند. البته اين يک مطالعه مقدماتي در اين زمينه بوده است تا در صورت نياز مطالعات گسترده تر صورت بگيرد.
نانولولههاي کربني و آينده روشن لومينسانس پليمري
هزينه و قابليت نگهداري، شاخصهايي هستند که باعث ميشوند تا افزارههاي مبتني بر مواد آلي و قابل فراوري در محلول، براي کاربردهاي فوتوولتائيک و نوردهي مورد توجه قرار گيرند؛ اگرچه قبل از استفاده در بسياري از کاربردها، بهبود عمر مفيد و بازده افزاره لازم خواهد بود. هماکنون يک گروه تحقيقاتي بينالمللي يافتههايي را گزارش کردهاند که نشان ميدهند نانولولههاي کربني چندديواره(MWNT) ميتوانند در بهبود عملکرد افزارههاي فوتوولتائيک و پيلهاي خورشيدي آلي خيلي مؤثر باشند.
اين گروه تحقيقاتي که شامل محققاني از دانشگاه سوري از بريتانيا، دانشگاه شانگهاي جيآوتانگ از چين، و دانشگاه ايالتي فلوريداست، بعد از اضافه کردن نانولولههاي کربني چندديوارة عاملدارشده با اسيد، به نايلون 10، 10 يک افزايش صد برابري در خاصيت فوتولومينانس مرئي از کروموفورهاي فلورسانت آن را مشاهده کردند.
افزودن نانولولههاي کربني به پليمرها براي تشکيل کامپوزيتهاي هيبريدي مواد معدني در آلي، در افزارههاي الکترولومينسانس و فتوولتائيک مزيتهايي دارد، اما تاکنون با مشکلاتي روبهرو بودهاست. نانولولههاي کربني اثر حاملهاي بار را کم ميکنند و در نتيجه بازده کلي انتشار افزارهها را کاهش ميدهند، در مقابل، اين محققان پيشنهاد ميکنند که نانولولههاي کربني چندديواره عاملدارشده با اسيد، تشعشع برخوردکننده را جذب ميکنند و در جاهايي که عمليات اسيدي نانولوله را تخريب ميكنند، حالتهاي سطح تحريکشده را تشکيل ميدهند. برگشت الکترونهاي تحريکشده به حالت اوليه منجر به ساطع شدن تشعشع يا انتشار نور ميشود.
در اين حالت پيشنهاد اين محققان شبيه به سازوکار ديودهاي انتشاردهندة نور آلي آلاييده با رنگدانه آلي است. حضور نانولولههاي کربني چندديواره، شستن نوري مراکز فلورسانت در کامپوزيتهاي نايلون را به تأخير مياندازد.
راوي سيلوا از دانشگاه سوري ميگويد:" افزايش در خواص لومينسانت بهخوبي نويددهندة توليد جديدي از افزارههاي آلي است که ميتوانند از نظر تجاري به توليد انبوه برسند." سيمون هنلي، يکي از اين محققان، اضافه ميکند:" اين نتايج دورنماي استفاده از نانولولههاي کربني چندجداره براي مديريت تشعشع خورشيدي در پيلهاي خورشيدي آلي و براي بهبود پايداري افزارهها، را اميدوارکننده نشان ميدهند."
فاز بعدي اين تحقيق شرح اين سازوکار در انواع مختلفي از سيستمها و بهکارگيري اين نانوکامپوزيت بهعنوان مواد فعال پيلهاي خورشيدي، خواهد بود.
نتايج اين تحقيق در مجله Small منتشر شدهاست.
ابداع دو تکنيک جديد براي تشخيص سرطان با استفاده از نانوذرات
تشخيص زود هنگام تومورها يکي از اهداف ارزشمند در زمينه ي تحقيقات بر روي سرطان مي باشد که دست يابي به آن خواهد توانست روند درمان و تشخيص سرطان را به ميزان زيادي بهبود بخشد. به تازگي دو تکنيک با بهره گيري از فناوري نانو ابداع شده است که شايد بتواند محققان را در رسيدن به اين هدف ياري نمايد.
يک گروه تحقيقاتي به سرپرستي دکتر ويهونگ تان از دانشگاه فلوريدا، يکي از اين دو تکنيک را با استفاده از نانوذرات طلاي متصل شده به آپتامرهاي DNA ابداع نموده اند.( آپتامرها مولکول هاي مصنوعي کوچکي از جنس DNA مي باشند که مي توانند به صورت اختصاصي به اهدافي چون آنتي بادي ها متصل شوند).
نانوذرات طلا در محدوده اي از طيف هاي نوري قابل تشخيص هستند و خواص جذب نوريشان به ميزان زيادي به اندازه شان بستگي دارد. نانوذرات طلاي متصل شده به آپتامر DNA که در اين تکنيک مورد استفاده قرار مي گيرند، در طول موج nm 500 بيشترين جذب نوري را دارند ولي هنگامي که همين نانوذرات به سلول هاي هدف متصل مي گردند، طيف جذبيشان به ميزان زيادي تفاوت مي کند و تغيير رنگ واضحي نيز در طيف آنها از رنگ سبز به قرمز مشاهده مي گردد که سلول هاي هدف را قابل تشخيص مي سازد.
اگرچه اين تغيير در طيف جذبي به وسيله ي چشم انسان قابل مشاهده مي باشد، محققان تلاش کرده اند تا با استفاده از يک اسپکتروفوتومتر ميکروپليت حساسيت اين روش را تا حد تشخيص 90 سلول سرطاني افزايش دهند. آنان مقاله ي خود را در رابطه با اين تکنيک در ژورنال Analytical Chemistry چاپ کرده اند.
تکنيک دوم به وسيله ي دکترگري مکي و همکارا نش در دانشگاه آيداهو ابداع شده است. در اين تکنيک آنان ترانزيستوري متشکل از نانوسيم ها طراحي کرده اند که مي تواند ميزان بسيار کمي از DNA متيله شده را تشخيص دهد. اين ترانزيستور با استفاده از مدارهاي الکتريکي حساس به نور ساخته شده است و بر روي آن پوششي از جنس يک آنتي بادي قرار دارد که مي تواند به باز سيتوزين متيله شده (يکي از چهار باز اساسي تشکيل دهنده ي DNA ( متصل گردد. متيلاسيون DNA نقش کليدي در خاموش کردن ژن هاي مهارکننده تومور ايفا مي کند و از اين روي تشخيص آن مي تواند يک نشانه ي زود هنگام بروز سرطان باشد. هنگامي که مولکول DNA حاوي سيتوزين متيله شده از اين نانوسيم ها عبور نمايد، آنتي بادي مذکور به DNA متصل مي گردد و يک سيگنال الکتريکي قابل محاسبه توليد مي شود که از روي آن مولکول DNA و در نتيجه بروز سرطان تشخيص داده مي شود.
توليد نانوکاتاليزورهايي با مساحت سطح يک زمين فوتبال
اخيرا ً شرکت QuantumSphere (پيشگام توليد نانو فلزات و نانو آلياژها) از دستاورد تازه خود در زمينه توليد تميز هيدروژن بهوسيلة الکتروليز آب خبر داده است.
به گفته مسئولان شرکت، اين کار با بهره گيري از يک فرمول کاتاليزوري خاص به نام QSI-Nano NiFe™ (حاوي نانوذرات نيکل و آهن) انجام شده است. استفاده از اين کاتاليزور مساحت سطح الکترودهاي تجاري را براي انجام واکنشهاي کاتاليزوري تقريبا ً هزار برابر ميکند، بهطوريکه مساحت سطح يک گرم از اين ماده به اندازه يک زمين فوتبال ميرسد. همچنين الکترودهاي پوشيده شده با اين کاتاليزورها توانستهاند آزمايشات استحکام را تا هزار ساعت با موفقيت پشت سر بگذارند.
بررسيها حاکي از بازدهي حدود 84 درصدي اين روش است که به مراتب بيشتر از روشهاي قديمي الکتروليز و حتي بيش از مقدار تعيين شده وزارت انرژي آمريکا ميباشد و لذا از قابليت بسيار خوبي براي تجاري شدن برخوردار است و شرکت QuantumSphere قادر است تا در صورت نياز به سرعت مقادير زيادي هيدروژن را با استفاده از آن توليد کند.
اين روش همچنين موجب تسريع روند تجاري شدن پيلهاي سوختي شده و کار با تجهيزات هيدروژني را آسان ميکند. به باور محققان ميتوان اميدوار بود که در آينده نه چندان دور دارندگان خودروهاي هيدروژني بتوانند به راحتي با استفاده از دستگاه الکتروليز کم مصرف نصب شده در پارکينگ منزل خود اقدام به سوختگيري نمايند.
ساخت نانوليزرهاي خوب با نانوميلههاي اکسيد روي
محققان آلماني نانوميلههاي همراستاي عمودياي از اکسيد روي رشد دادهاند که از خود نور ليزري گسيل ميکنند. اين گروه با کانوني کردن تحريک ليزري تا ناحيهاي کوچکتر از يک ميکرومتر به اين نکته پي بردند که حتي يک نانوميله ايستاده نيز قادر به ليزيدن ميباشد. يک آرايه از اين نانوميلهها ميتواند در افزارههاي نانوليزري UV و صفحه نمايشهاي چشم نوري مورد استفاده قرار گيرد.
اکسيد روي(ZnO) يک نيمرسانا با پهناي باند عريض است كه ميتواند در دماي اتاق در ناحيه ماوراي بنفش تابش ليزري داشته باشد. از نانوميلههاي ZnO ميتوان بهعنوان اجزاي سازندة نانوليزرها استفاده كرد، با اين حال، توليد آرايههاي منظم، همراستا و هماندازه از نانوساختارهاي يکبعدي ZnO ـ که براي کاربردهاي عملي مورد نياز است ـ مشکل است.
هماکنون هوئيژوان ژو و همکارانش از دانشگاه کالرزروهه، موفق به رشد چنين ساختارهاي منظمي شدهاند که براي ليزيدن مناسب هستند. اندازه يکنواخت نانوميلهها براي کاربردهاي نانوليزري بسيار ضروري است، زيرا توانايي ميلهها در ليزيدن به هندسه ميله بسيار وابسته است. اين محققان آرايههاي مذکور را با روش انتقال فاز بخار توليد کردند. آنها با استفاده از پودر بسيار خالص ZnO و احياسازي آن توانستند بخار روي را آزاد کنند. اين بخار سپس با استفاده از يک گاز حامل، به يک بستر GaN پوشيده شده با کاتاليزور طلا، انتقال داده ميشود.
بخار روي به ZnO اکسيد شده، بهصورت اپيتاکسي و به شکل نانوميله در جايگاههاي طلا رشد ميکند. ژو گفت: « نکات کليدي در رشد موفقيتآميز، الگودهي قابلدستکاري براي آرايههاي منظم نانوذرهاي، و شرايط پايدار رشد است.» او اضافه کرد که تمام ميلههاي موجود در آرايه از لحاظ جهت رشد و اندازه کاملاً مشابه هستند.
براي ساخت افزارههاي نانوليزري وجود اتصالات pn بر اساس نانوميلههاي ZnO ضروري است. اين محققان در اين مسير هنوز با چالشهايي روبهرو هستند، زيرا آنها به توليد ZnO آلاييدهشده با آلايندههاي نوع n، نياز دارند که پايدار و قابل بازتوليد باشد. ژو توضيح داد: "ما معتقديم که اتصالات چندگانه که از نانوميلههاي n-ZnO بر روي يک بستر GaN نوع p تشکيل شدهاند، براي افزارههاي نانوليزري مناسب هستند، زيرا ZnO نسبت به ساير نيمرساناها؛ مانند III-Vها تمايل بيشتري براي رشد خودسازماندهيشده دارند.
چنين نانوليزرهاي ZnO که بهصورت الکتريکي فعال ميشوند، ميتوانند بهعنوان چشمهاي نوري مينياتوري پربهره قلمداد شوند؛ مثلاً ميتوانند در ذخيرهسازي نوري دادهها، ميکروآناليز و در ترکيب با فسفر، بهعنوان صفحه نمايشهاي درخشان با منبع نور سفيد، استفاده شوند.
اين گروه در حال تلاشند تا اتصالات چندگانهاي از نانوميلههاي n-ZnO هماندازه و منظم بر روي p-GaN را براي افزارههاي نورگسيل و ديودهاي ليزري بسازند.
نتايج اين تحقيق در مجلة App. Phys. Lett. منتشر شدهاست.
پيوند ستاره شناسي و فناورينانو
اگرچه بهبود روشهاي تصويربرداري در مقياس نانو پيشرفتهاي خوبي را به ويژه در زمينه پزشکي و تشخيصهاي طبي به همراه داشته است، اما مشکلي که اينک دانشمندان با آن مواجه هستند چگونگي تمايز تصاوير متعدد و همزمان دريافتي از صدها و بلکه هزاران نانو پروب (نانوذراتي با طراحي ويژه به منظور اتصال به يک نوع سلول يا مولکول خاص که به محض رسيدن به هدف تابشهايي رنگي منتشر ميکنند) است.
به اين منظور گروهي از دانشمندان آمريکايي در روشي مشابه با فوتومتري ستارگان و تشخيص ترکيب و ساختار تک تک آنها (که با استفاده از نرم افزار DAOPHOT انجام ميشود) چاره اي براي اين مشکل يافته و توانستهاند تصاوير دقيقتري از تک مولکولهاي چسبيده به نانو پروبها بدست آورند.
اهميت اين تصاوير دقيق بيشتر در دسترسي به جزئيترين اطلاعات مربوط به تک مولکولها (از قبيل چگونگي قرارگيري آنها در دنبالههاي ژني) است و دانشمندان بر اساس اين دادهها ميتوانند نگاشت ساختاري زيست مولکولي پيچيده تري در اختيار داشته و از آن بويژه در تشخيصهاي طبي فوق حساس، و نزديک شدن بيشتر به طب پيشگويانه و فردي استفاده کنند. اين روش که کاري ميان رشته اي به شمار ميآيد، در مشخص کردن وضعيت ساير انواع پروبهاي نانوذره اي؛ از جمله ذرات يا مولکولهاي برچسب دار نيز کاربرد دارد و با استفاده از آن علاوه بر افزايش سرعت تصوير برداري از تک مولکولها، امکان بررسي حجم نمونه بيشتري (بين ميکروليتر تا ميلي ليتر) فراهم ميشود.
فيلم نانوساختاري جديد، بهبوددهندة بازده پيلهاي خورشيدي
محققان با کمک فناورينانو ميتوانند چگونگي توليد کردن، به دام انداختن، انتقال دادن، و ذخيره کردن الکترونهاي آزاد با يک ماده، را آزمايش و کنترل کنند. اين خواص در تبديل انرژي خورشيد به الکتريسيته خيلي مهم هستند. هماکنون محققان چيني و آمريکايي با ترکيب دو روشِ مبتني بر فناورينانو براي مهندسي مواد پيل خورشيدي، افزايش بازده پيلهاي خورشيدي را نويد ميدهند.
در يکي از اين روشها، فيلمهاي نازک نانوذرات اکسيد فلزي از قبيل دي اکسيد تيتانيوم آلاييده با عناصر ديگر از قبيل نيتروژن، استفاده ميشود. راهبرد روش دوم، بهکارگيري نقاط کوانتومي است که نور مرئي را بهشدت جذب ميکنند و براي افزايش تبديل انرژي خورشيدي، الکترونها را داخل يک فيلم اکسيد فلزي تزريق ميکنند. نانوذرات اکسيد فلز آلاييده و نقاط کوانتومي، هر دو جذب نور مرئي بهوسيله اکسيدهاي فلزي را افزايش ميدهند.
طبق گفته جين زانگ در دانشگاه کاليفرنيا، ترکيب اين دو روش منجر به توليد مواد پيل خورشيدي ميشود که بازده آنها نسبت به حالتهايي که در آن از هر دو روش به تنهايي استفاده ميشود، بهتر است. اين گروه تحقيقاتي به رهبري جين زانگ، يک فيلم نازک آلاييده با نيتروژن و تقويتشده با نقاط کوانتومي را ايجاد کردهاست. اين ماده نانوکامپوزيتي جديد عملکردي بهتر از دو جزء منفردش ـ به تنهايي ـ دارد.
زانگ گفت:" ما راهبرد جديدي را كشف كردهايم که ميتواند براي افزايش حساسيت نوري و بازده تبديل پيلهاي خورشيدي مبتني بر نانومواد، خيلي مفيد باشد. ما ابتدا فکر ميکرديم که در بهترين حالت، ممکن است نتايجي به همان خوبي مجموع هر دو به دست آوريم و در صورت دست نيافتن به آن، نتايج بدتري به دست ميآوريم؛ اما در کمال تعجب، ديديم كه اين مواد نتايج خيلي بهتري دادند."
گروه زانگ، اين ماده نانوکامپوزيتي جديد را با استفاده از گسترة وسيعي از ابزارها؛ شامل ميکروسکوپ نيروي اتمي(AFM) ، ميکروسکوپ الکتروني عبوري(TEM) ، طيفبيني رامان و روشهاي الکتروشيميايي نوري، تعيين مشخصات کردند. آنها با ذرات دي اکسيد تيتانيومي که اندازه متوسط صد نانومتري داشتند، فيلمهايي با ضخامت بين صد و 50 تا هزار و صد نانومتر را تهيه کردند. در مرحله بعد آنها شبکه دي اکسيد تيتانيوم را با اتمهاي نيتروژن دوپ کردند و پس از آن نقاط کوانتومي سلنيد کادميوم را بهصورت شيميايي به اين فيلمها متصل کردند.
ماده هيبريدي به دستآمده، مزايايي را داشت: نيتروژن دوپکننده، به اين ماده اجازة جذب گسترة وسيعي از انرژي نور، شامل انرژي از ناحيه مرئي طيف الکترومغناطيسي را ميداد، همچنين نقاط کوانتومي جذب نور مرئي را افزايش ميدادند و جريان نوري و تبديل توان اين ماده را تقويت ميکردند.
اين گروه گزارش کرد که اين نانوکامپوزيت در مقايسه با موادي که فقط با نيتروژن آلاييده بودند و يا فقط با نقاط کوانتومي سلنيد کادميوم تقويت شده بودند، عملکرد بالاتري نشان دادهاست؛ هنگامي که عملکرد با اندازهگيري «فوتون تصادمي به بازده تبديل جريان(IPCE) » تعيين ميشد. زانگ گفت: "عملکرد اين نانوکامپوزيت سه برابر مجموع عملکردهاي دو ماده ديگر بود كه اين امر فقط هنگامي ميتواند اتفاق بيفتد که ما از نفاط کوانتومي تقويتکننده و نيتروژن دوپکننده همزمان استفاده کنيم."
نتايج اين تحقيق در Journal of Physical Chemistry منتشر شدهاست
نانوساختار هاي روي سطح بال پروانه ها، حسگر هاي شيميايي حساسي هستند
به تازگي محققان مرکز تحقيقاتي GE Global Research که متعلق به شرکت جنرال الکتريک مي باشد، اعلام کرده اند که نانوساختار هاي روي بال پروانه ها داراي خصوصيات نوري بسيار کارآمدي مي باشند. اين نانوساختارها به پروانه امکان مي دهند تا بخار ها را از يکديگر تشخيص دهد. اين يافته مي تواند به طراحي حسگر هاي شيميايي بسيار حساس براي کاربرد هاي مختلف تشخيص بخار کمک شاياني کند.
دکتر راديسلاو پتيرايل که سرپرستي گروه محققان GE را در اين تحقيق بر عهده داشته است، مي گويد: «تاکنون در فناوري نانو، الگوبرداري از طبيعت به اکتشافات زيادي انجاميده است. ما متوجه شديم که نانوساختار هاي روي بال پروانه هاي گرمسيري مورفو (Morpho) پاسخ هاي گزينشي مناسبي نسبت به بخار هاي شيميايي دارند. هم اکنون بايد به دنبال راه هايي براي تقليد از طبيعت و ساخت حسگر هاي شيميايي کارآمد در سطح تجاري بود و اين چيزي است که ما را به خود مشغول داشته است «.
در گروه مذکور، علاوه بر محققان مرکز GE، پروفسور هلن جيرادلا از دانشگاه آلباني نيز حضور داسته است. دکتر پتيرايلو اظهار داشت که براي ساخت نانوساختار هاي فوتونيک موجود در بال هاي پروانه، چالش هاي زيادي وجود دارد اما مي توان تا پنج سال شاهد کاربرد هاي تجاري اين فناوري در سطح بازار بود. اين کشف يکي از مجموعه اکتشافات مهمي است که محققان GE در زمينه فناوري نانو به انجام رسانيده اند:
ساخت مجموعه اي از نانوکامپوزيت ها و مواد نانوساختار براي استفاده در حسگر هاي گازي و کاربردهاي مشابه
ساخت يک ديود نانولوله اي کربني در «محدوده نظري» در سال ۲۰۰۵ که مي تواند به ساخت ابزار هاي الکترونيکي کوچک تر و سريع تر منجر شود.
الگو برداري از اثر دفع آب عالي برگ نيلوفر آبي و اعمال آن روي پلاستيک و فلز به منظور استفاده در بخش هاي هوانوردي و انرژي
يافتن راهي مستقيم براي ساخت مواد نانوسراميکي از مواد متشکله پوليمري در سال ۲۰۰۷ براي کاربرد هاي بالقوه در بخش هاي هوانوردي و انرژي
جزييات اين بررسي در شماره اخير نشريه Nature Photonics به چاپ رسيده است.
نانوراديوهاي ساختهشده از نانولولههاي کربني
اولين راديوي ترانزيستوري كه بهطور کامل از افزارههاي فعال نانولوله کربني ساخته شده بود، به دست محققان دانشگاه ايلونويز در آمريکا صورت گرفت. به گفته اين محققان، روش آنها نسبت به ديگر کاربردهاي نانولولهها در الکترونيک، از جمله نانوراديوهاي اخير، يک پيشرفت به شمار ميرود، زيرا اين روش قابل بازتوليد و مقياسپذير است، و با استفاده از روشهاي فراوري الکترونيکي استاندارد، امکان توليد تعداد زيادي از راديوها و مدارات را فراهم ميکند.
اين محققان اخيراً از نانوراديوهاي خود در گوش دادن به گزارش ترافيک از يک ايستگاه راديويي محلي، استفاده کردهاند. جون راجرز، سرپرست اين گروه تحقيقاتي، گفت: «ما اين مواد، افزاره و مدارات را در ايجاد همه اجزاي سازندة کليدي براي يک فناوري الکترونيک آنالوگ فرکانس راديويي مبتني بر نانولوله کربني، توسعه داديم. ما اين کار را با استفاده از روشي كاملاً سازگاز با فرايند ساخت در الکترونيک مرسوم انجام داديم كه قابل بازتوليد و مقياسپذيري است. »
راجرز توضيح داد که چالش اصلي در اين زمينه ايجاد آرايههاي همراستاي افقي از نانولولههاي منفرد در يک فرايند رشد تکمرحلهاي روي تمام سطح يک بستر ويفري بود، سپس اين محققان مجبور به يکپارچه کردن اين نانولولهها در مدارات و ترانزيستورها شدند. اين نانولولهها تقريباً كاملاً خطي، همراستا و موازي باهم، بودند و اين امر اجازه ايجاد تعداد زيادي ترانزيستور، را ميداد.
راجرز گفت: "با اين روش در هر کدام از افزارهها، هزاران نانولوله يکپارچه ميشود؛ به طوري که اثرات متوسطکنندة آماري منجر به يکنواختي خوب خواص الکتريکي از يک افزاره به افزارة ديگر ميشود. اين مسئله حتي در نانولولههاي کربني ـ که خودشان از نظر الکتريکي غير همگن هستند ـ نيز صادق است.
عملكرد مستقل و موازي اين نانولولهها در هر افزارة ترانزيستوري، آنها را در توليد جريانهاي خروجي بزرگي توانمند ميكند؛ اين بدين معني است که آنها ميتوانند در هر دو محدودة فرکانس راديويي و صوتي، سطوح بالايي از تقويت را داشته باشند. راجرز گفت: «دومي[فرکانس صوتي] حتي به کاربر اجازه شنيدن با گوشيهاي متصل به يک ترانزيستور نانولولهاي را ميدهد. »
مهمترين نکته اين است که تعداد زيادي از اين افزارهها ميتوانند يکباره توليد شده، در مدارات مجتمع شوند. چنين نکات برجستهاي در نانوراديوها و ديگر افزارههاي الکترونيکي ـ که فقط از نانولولههاي منفرد ساخته ميشوند ـ وجود ندارد.
راجرز اضافه کرد:" فناوري ما اجازه ميدهد که همه اجزا(آنتنهاي پرطنين، ترکيبکنندهها و تقويتکنندههاي فرکانس راديويي(RF) و تقويتکنندههاي صوت) با افزارههاي نانولولهاي ساخته شوند، اين قابليتها از هندسه آرايه بينظيرشان ناشي شدهاند.
اين محققان نتايج کار خود را در مجله PNAS منتشر کردهاند
Bridging the Gap
One way to bridge the gap would through the development of an AFM-based molecular manipulator capable of doing primitive molecular manufacturing. This device would combine a simple molecular device—a molecular gripper—with an AFM positioning mechanism. An AFM can move its tip with precision; a molecular manipulator would add a gripper to the tip to hold a molecular tool. A molecular manipulator of this kind would guide chemical reactions by positioning molecules, like a slow, simple, but enormous assembler. (In our standard simulation view, where a molecular assembler arm fits in a room, the AFM apparatus of a molecular manipulator would be the size of a moon.) Despite its limits, an AFM molecular manipulator will be a striking advance.
How might this advance occur? Since we're choosing one path out of many possible, we may as well include more details and tell a story. (A more technical description of a device like the following can be found in Nature; see the technical bibliography).
Scenario: Developing a Molecular Manipulator
Several years ago, researchers at the University of Brobdingnag began work on developing a molecular manipulator. To reach this goal, a team of a dozen physicists, chemists, and protein researchers banded together (some working full time, some part time) and began the creative teamwork needed to solve the basic problems.
First they needed to attach a gripper to an AFM tip. As grippers, they chose fragments of antibody molecules, the selectively sticky proteins that the immune system uses to bind and identify germs. If they could get the "back" of the molecule stuck onto a tip, then the "front" could bind and hold molecular tools. (The advantage of antibody fragments was this: freedom of tool choice. Since the late 1980s, researchers had been able to generate antibodies able to bind almost any preselected molecule-or molecular tool.) They tried half a dozen methods before finding one that worked reliably, with results like those shown in Figure 6. A graduate student got her Ph.D., and the AFM tip got its gripper.
FIGURE 6: MOLECULAR MANIPULATOR
A molecular manipulator (AFM tip and tool holder, above) would bind and position reactive molecular tools to build up a workpiece, molecule by molecule.
In parallel, the U. Brob AFM researchers worked on placing tips in a precise location and then holding them there with atomic accuracy for seconds at a time. This proved straightforward. They used techniques developed elsewhere during the early 1990s, adding only modest refinements.
They now had their gripper and a way of putting it where they wanted it, but they needed a set of tools. The gripper was like the chuck of a drill, waiting to have different bits fitted into its tool-holder slot. So as the final step, the synthetic chemists on the team made a dozen different molecular tools, all identical at one end but different at the other. The similar parts all bound to the same antibody tool-holder, slotting neatly into position. The different parts were all chemically reactive in different ways. Like the molecular tools in the hall of assembler arms in Chapter 3, each of these tools could use a chemical reaction to transfer some atoms to a molecular object under construction.
Developing the molecular tool kit was the toughest part of the project; it took about as much work as had gone into duplicating the palytoxin molecule back in the 1980s. None of the tasks in the project demanded the solution of a deep scientific puzzle, and none demanded the solution of a notoriously difficult engineering problem. Each task had many possible solutions, the problem was to find a compatible set of solutions and apply them. After a few years, the solutions came together and the U. Brob research team began building new molecules by molecular manipulation. Now many teams are doing likewise.
Building with Molecular Grippers and Tools
To build something with the U. Brob team's AFM-based molecular manipulator system, you use it as follows: First, choose a surface to build on and place it under the tip in a pool of liquid. Then dunk the AFM tip into the liquid, bringing it down to the surface, and back it off a little. Construction can now begin as soon as a tool is loaded into the gripper.
Tubes and pumps can flow different liquids over the surface and past the gripper, carrying different tool molecules. If you want to do something with a tool of Type A, you wash in the proper liquid, and a Type A molecule promptly sticks the to the gripper as shown in Figure 6. Once it is in the gripper, you can use the AFM mechanism to move it around and put it where you want it. Move it up to the surface at a convenient spot, wait a few seconds, and it reacts, forming a bond and leaving a molecular fragment attached to the spot you chose. To add a different fragment, you can use a tool of Type B: you back up the tip, flow in a fresh liquid carrying the new tools, and in a moment a tool of the new type is bound in place and ready to apply, either on or alongside the first spot. Step by step, you build up a precise molecular structure.
Each step takes only seconds. Molecular tools pop into the gripper in a fraction of a second, and used tools pop off at the same rate. Once the tip has positioned a molecule, it reacts quickly, about a million times faster than unwanted reactions at other sites. In this way, the molecular manipulator gives good control of where reactions will occur (though it is not as reliable as an advanced assembler would be). It is fairly fast by a chemist's standards—per cycle—but still a million times slower than an advanced assembler. It can perform a variety of steps, but isn't as flexible and capable as an advanced assembler. In short, it is hardly the last word in nanotechnology, yet is a great advance over what has gone before.
Products
With its ability to accelerate desired reactions by a factor of a million or so, the U. Brob team's molecular manipulator can perform 10,000 to 100,000 steps with good reliability. Back in the 1980s, chemists making protein molecules struggled to perform just one hundred steps. The U. Brob research team (and its many imitators) can now build structures that are stronger and easier to design than proteins: not floppy, folded chains, but rugged objects held together by a sturdy network of bonds. Though not as strong and dense as diamond, these structures are like bits of a tough engineering plastic. A specially adapted computer-aided design system makes it easy to design molecular objects made from these materials.
Yet the AFM-based molecular manipulator has one grave disadvantage: It does chemistry one molecule at a time, and it ties up a machine as expensive as a car for hours or days to produce that one large molecule. Some molecules, though, are valuable enough to be worth building even one at a time. These draw prompt attention.
A single molecule isn't much use as a dye, a drug, or a floor wax, but it can have substantial value if it provides useful information. The U. Brob team quickly publishes a pile of scientific papers based on experiments with single molecules: they build a molecule, probe it, report the results, and build another. Some of these results show chemists elsewhere in the multibillion-dollar chemical industry how to design new catalysts, molecules that can help make other molecules more cheaply, cleanly, and efficiently. This information is worth a lot.
Three new products of special interest are among the first to be made. The first—molecular electronics—begins with experiments conducted by a research group at a computer chip company. They use their molecular manipulator to build single molecules and probe them, gradually learning how to build the parts needed for molecular electronic computers. These new computers don't immediately become practical, because the costs are too high for making such large molecules with AFM-based technology. Yet some companies begin to produce simpler molecular electronic devices for use in sensors and specialized high-speed signal processing. A specialty industry is born and begins to expand.
The second product is a gene reader, a complex molecular device built on the surface of a chip. The biologists who built the reader combined proteins borrowed from cells with special-purpose molecular machines designed from scratch. The result was a molecular system that binds DNA molecules and pulls them past a read-head-like tape through a tape recorder. The device works as fast as some naturally occurring molecular machines that read DNA, with one key advantage: it outputs its data electronically. At that speed, a single device can read a human genome in about a year. Though still too expensive for a doctor's office, these readers are promptly in great demand from research laboratories. Another small industry is born.
The third product is far more important, in the long run: replacement tips for molecular manipulators, grippers, and tools that are better than the originals. With these new, more versatile devices, researchers are now building more ambitious products and tools.
More Scenario: The Next Step to Nanotechnology
While the physicist-led team at U. Brob was finishing its work on the AFM-based molecular manipulator, a chemist-led team at the University of Lilliput was working furiously. They saw the U. Brob desktop machine as too large and its expected products as too expensive. Even back in the 1980s, David Biegelsen of the Xerox Palo Alto Research Center had noted, "The main drawback I see to using a hybrid protoassembler [AFM-based molecular manipulator] is that it would take a long time to build just one unit. Building requires a series of atom-by-atom construction steps. It would be better to build in parallel from the very beginning, making many trillions of these molecules all at the same time. I think there is tremendous power in parallel assembly. Maybe another field, chemistry or biology, offers a better way to do it." The chemists at U. Lill aimed to develop that better way, building first simple and then more and more complex molecular machines. The eventual result was a primitive molecular assembler able to build molecular objects by the trillions.
Chemist's Tools
How did the chemists achieve this? During the years when the U. Brob team was developing the molecular manipulator, researchers working in protein science and synthetic chemistry had made better and better systems of molecular building blocks. Chemists were well prepared for doing this: by the late 1980s, it had become possible to build stable structures the size of medium-sized protein molecules, and work had begun to focus on making these molecules perform useful work by binding and modifying other molecules. Chemists learned to use these sophisticated catalysts-early molecular devices-to make their own work easier by helping in the manufacture of still more large molecules.
Another traditional chemist's tool was software for doing computer-aided design. The early software designed by Jay Ponder and Frederic Richards of Yale University ultimately led to semi-automatic tools for designing molecules of a particular shape and function. Chemists then could easily design molecules that would self-assemble into larger structures, several tens of nanometers across.
Molecular Construction Machines
These advances in software and chemical synthesis let the U. Lill team tackle the task of building a primitive version of a molecular assembler. Although they couldn't build anything as complex as a nanocomputer or as stiff as diamond, they didn't need to. Their design used sliding molecular rods to position a molecular gripper much like the gripper used at U. Brob, again using the surrounding liquid to control which tool the gripper held. Instead of an AFM's electronic controls, they used the surrounding liquid to control the position of the rods as well. In a neutral solution, the rods would withdraw; in an acid solution, they would extend. How far they moved depended on what other molecules were around to lodge in special pockets and block the motion.
Their primitive assemblers built much the same sorts of products that the U. Brob molecular manipulator did; the tools were similar, and speed and accuracy were about the same. Yet there was one dramatic advantage: About 1,000,000,000,000,000,000,000 U. Lill assemblers could fit in the space occupied by one U. Brob manipulator, and it was easy to produce a mere 1,000,000,000,000,000 times as much product at the same cost.
With the first, primitive assemblers, construction was slow because each step required new liquid baths and several seconds of soaking and waiting, and a typical product might take thousands of steps. Nonetheless, the U. Lill team made a lot of money licensing their technology to researchers trying to commercialize products they had first researched with the U. Brob machine. After starting an independent company (Nanofabricators, Inc.), they poured their research efforts into building better machines. Within a few years, they had assemblers with multiple grippers, each loaded with a different kind of tool; flashes of colored light would flip molecules from state to state (they copied these molecules from the pigments of the retina of the eye); flipping molecules would change tools and change rod positions. Soaking and waiting become a thing of the past, and soon they were pouring out parts that, when mixed with liquid and added to dishes with special blank chips would build up the dense memory layers that made possible the Pocket Library.
That was when things started moving fast. The semiconductor industry went the way of the vacuum tube industry. Money and talent poured into the new technology. Molecular CAD tools got better, assemblers made it easy to build what was designed, and fast production and testing made molecular engineering as easy as playing with software. Assemblers got better, faster, and cheaper. Researchers used assemblers to build nanocomputers, and nanocomputers to control better, faster assemblers. Using tools to build better tools is an ancient story. Within a decade, almost anything could be made by molecular manufacturing, and was.
FIGURE 7: PATHS TO NANOTECHNOLOGY
Nanotechnology development flow chart
Will developments in the late pre-breakthrough days be as just described? Certainly not: the technical approaches will differ, and the U.S. academic research setting implied by the scenario could easily be replaced by academic, commercial, governmental, or military research settings in any of the advanced nations. What do seem realistic are the implied requirements for effort, technology, and time, as well as the basic capabilities of different devices. We are approaching a threshold of capability beyond which further advances will become easy and fast
