نانوحسگرها و انواع آنها

حسگر چیست؟

حسگریک وسیله ی الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری می کند وآنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها درواقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج وکسب اطلاعات محیطی ونیز داخلی می باشند. ویا به طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص ازخود واکنشهای پیش بینی شده ومورد انتظار نشان می دهند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین حسگرهایی دانست که بشرساخت . ساختار کلی یک حسگر:درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگرشیمیایی یا زیستی عنصرحسگر آن می باشد. عنصرحسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصرمسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی موردنظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیرآنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیمها ، گیرنده ها یا کل سلولها می توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گیرند. خصوصیات حسگرها: یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد :
1 . سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونه ی هدف باشد.
2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند.
3 . قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.
4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.
5. سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد ( درحد میلی ثانیه ).
6. عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما ، قدرت یونی محیط و … نانوحسگرها:با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر،کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند. 

انواع نانو حسگرها:
نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دسته ی نقاط کوانتومی ، نانولوله های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند: 
1. استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها:
نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی ، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهنده ی نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد. 

2. استفاده ازنانولوله ها درتولید نانوحسگرها:
نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.

به طورکلی کاربرد نانو لوله ها در حسگرها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
الف ) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:
این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت ppm200 از NO2 قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند. 
ب) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:
هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملا ً متناسب است. این اندازه گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می دهد. یا می توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصله ی میان نانولوله های کربنی وسیستم، نانولوله های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی های دینامیکی نشان می دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می تواند به وسیله ی پیوندهای واندروالس روی نانولوله ی کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله ها ی کربنی را نشان می دهد. تحقیق دراین زمینه هنوزدرحال توسعه وپیشرفت است ومطمئنا ً درآینده ای نه چندان دور شاهد به کارگیری آنها درابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود. 

3. استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:
با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه ی کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینه ی نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.

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

Bigger Isn't Always Better

Imagine going to the doctor to get treatment for a persistent fever. Instead of giving you a pill or a shot, the doctor refers you to a special medical team which implants a tiny robot into your bloodstream. The robot detects the cause of your fever, travels to the appropriate system and provides a dose of

medication directly to the infected area.

Surprisingly, we're not that far off from seeing devices like this actually used in medical procedures. They're called nanorobots and engineering teams around the world are working to design robots that will eventually be used to treat everything from hemophilia to cancer.

Bigger Isn't Always Better

In 1959, Richard Feynman, an engineer at CalTech, issued a challenge to engineers everywhere. He wanted someone to build a working motor that could fit within a cube 1/64th of an inch on each side. His hope was that by designing and building such a motor, engineers would develop new production methods that could be used in the emerging field of nanotechnology. In 1960, Bill McLellan claimed the prize, having built a working motor to the proper specifications. Feynman awarded the prize even though McLellan built the motor by hand without devising any new production methodologies.

 small and agile enough to navigate through the human circulatory system, an incredibly complex network of veins and arteries. The robot must also have the capacity to carry medication or miniature tools. Assuming the nanorobot isn't meant to stay in the patient forever, it also has to be able to make its way out of the host.

As you can imagine, the challenges facing engineers are daunting. A viable nanorobot has to be

حافظت از سلول هاي خورشيدي آلي توسط نانوکامپوزيت ها

تحقيقات 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.

انوکامپوزيت‌هاي ديرسوز

با توجه به اين که امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي هر جامعه‌اي را پليمرهايي تشکيل مي‌دهند که به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. بر همين اساس، در کشورهاي صنعتي، تلاش گسترده‌اي براي ساخت موادي با ايمني بيشتر در برابر شعله آغاز شده است و در اين زمينه نتايج مطلوبي هم به دست آمده است. 
بر همين اساس و با توجه به تدوين استانداردهاي جديد ايمني، به نظر مي‌رسد استانداردهاي ساخت مربوط به پليمرهاي مورد استفاده در خودروسازي، صنايع الکترونيک،‌ صنايع نظامي و تجهيزات حفاظتي و حتي لوازم خانگي، در حال تغيير به سوي مواد ديرسوز است. 
از طرف ديگر مدتي است که نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس به عنوان موادي با خواص مناسب مثل تأخير در شعله‌‌‌‌‌‌وري، توجه بسياري از محققان را به خود جلب کرده است. بنابراين به‌‌‌‌‌‌نظر مي‌رسد که نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس مي‌توانند جايگزين مناسبي براي مواد پليمري معمولي باشند؛ 
براي تهيه پليمرهاي ديرسوز، علاوه بر رفتار آتش‌گيري، عوامل زيادي بايد مورد توجه واقع شوند؛ از جمله اينکه: 
از افزودني‌هايي استفاده شود که قيمت تمام‌‌‌‌‌‌شده محصول را خيلي افزايش ندهد. (مواد افزودني بايد ارزان قيمت باشند.) 
مواد افزودني به پليمرها بايد به آساني با پليمر فرآيند شود. 
مواد افزوده‌شده به پليمر نبايد در خواص كاربردي پليمر تغيير قابل ملاحظه ايجاد كند. 
زباله‌هاي اين مواد نبايد مشکلات زيست‌‌‌‌‌‌محيطي ايجاد کند. 
با توجه به اين موارد، خاک‌‌‌‌‌‌رس از جمله بهترين مواد افزودني به پليمرها محسوب مي‌شود که مي‌تواند آتش‌گيري آنها را به تأخير بيندازد و سبب ايمني بيشتر وسايل و لوازم ‌شود. مزيت ديگر خاک‌ رس فراواني آن است که استفاده از اين منبع خدادادي را آسان مي‌کند.
ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس 
خواص مکانيکي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر-نايلون6 که از نظر حجمي فقط حاوي پنج درصد سيليکات است، بهبود فوق‌العاده‌‌‌‌‌‌اي را نسبت به نايلون خالص از خود نشان مي‌دهد. مقاومت کششي اين نانوکامپوزيت 40 درصد بيشتر، مدول کششي آن 68 درصد بيشتر، انعطاف‌پذيري آن 60 درصد بيشتر و مدول انعطاف آن 126 درصد بيشتر از پليمر اصلي است. دماي تغيير شکل گرمايي آن نيز از 65 درجه سانتي‌‌‌‌‌‌گراد به 152 درجه سانتي‌‌‌‌‌‌گراد افزايش يافته است. در حاليکه در برابر همة اين تغييرات مناسب، فقط 10درصد از مقاومت ضربه آن کاسته شده است. 
نتايج تحقيقات حاكي از آن است كه ميزان آتشگيري در اين نانو كامپوزيت پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص كاهش نشان مي‌‌‌‌‌‌دهد و اين در حالي است كه اغلب خواص كاربردي پليمر نيز تقويت مي‌‌‌‌‌‌شود. البته كاهش در ميزان آتشگيري پليمرها از قديم مورد بررسي بوده است. بشر با تركيب مواد افزودني به پليمر ميزان آتشگيري آنرا كاهش داد ولي متاسفانه خواص كاربردي پليمر هم متناسب با آن كاهش مي‌‌‌‌‌‌يافته است. در واقع كاهش در آتشگيري همزمان با بهبود خواص كاربري پليمرها ويژگي منحصر به فرد فناوري نانو است، خصوصاً اينكه تنها با افزودن 6 درصد ماده افزودني به پليمر تا 70 درصد آتشگيري آن كاهش مي‌‌‌‌‌‌يابد. 
برخي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس پايداري حرارتي بيشتري از خود نشان مي‌دهند که اهميت ويژه‌اي براي بهبود مقاومت در برابر آتش‌‌‌‌‌‌گيري دارد. اين مواد همچنين نفوذپذيري کمتري در برابر گاز و مقاومت بيشتري در برابر حلال‌ها از خود نشان مي‌دهند.
استانداردسازي؛ ابزار قدرت در دست کشورهاي پيشروي صنعتي 
تطابق با استانداردهاي جديد موضوعي است که همواره کشورهاي پيشرو بر کشورهاي پيرو ديکته کرده‌اند. در کشورهاي پيشرو صنعتي،‌ استانداردها همواره رو به بهبود است. در اين کشورها براساس جديدترين نتايج تحقيقات و مطالعات متخصصان، هر چند وقت يکبار، استانداردها دستخوش تغيير مي‌شوند و ديگر کشورها ناچار خواهند بود در مراودات تجاري خود با آنها اين استانداردها را رعايت کنند و به اين ترتيب، مجبور مي‌شوند که نتايج تحقيقات آنها را خريداري کنند. مطلب زير مثالي از اين موارد است: 
چندي پيش در جرايد اعلام شد که بنا بر تصميم جديد اتحاديه اروپا، هواپيماهايي که مجهز به سيستم جديد ناوبري (مطابق با استاندارد جديد پرواز)‌ نباشند، اجازه پرواز بر فراز آسمان اروپا را ندارند. در آن زمان در کشور ما فقط تعداد معدودي از هواپيماهاي مجهز به اين سيستم وجود داشت. اخيراً هم اتحاديه مزبور اعلام کرده است که ورود کاميون‌هاي فاقد استاندارد زيست‌‌‌‌‌‌محيطي به خاک اروپا ممنوع است. در پي اين اعلام، خودروسازان ايراني به ناچار استانداردهاي خود را با شرايط جديد تطبيق دادند.

نانو فوتونیک

درباره نانوفوتونيک چه ميدانيم؟

درباره نانوفوتونيک چه ميدانيم؟

● نانوفوتونيک چيست ، چه مي کند و چه خواهد بود؟

▪ با نگاهي گذرا به زيرساخت

براي روشن شدن مفهوم و گستره نانوفوتونيک بالاجبار بايد تبييني مختصر از دو حوزه تشکيل دهنده آن يعني فوتونيک و فناوري نانو ارائه دهيم. ابتدا توضيح مختصري راجع به فوتونيک خواهيم داد.

اصولاً به علوم و فناوري هاي مربوط و به کار گيرنده نور و فوتون (ذره بنيادي نور) که به برهم کنش هاي بين نور و ماه مي پردازند فوتونيک گفته مي شود که ليزر، اپتيک، تصويري سازي نوري و الکترونيک نوري از حوزه هاي اصلي آن هستند.

● اما فناوري نانو چيست و تأثيرات آن بر فوتونيک چيست؟

دربارة تعاريف فناوري نانو، منابع و ادبيات آن چنان مفصلي وجود دارد که به سختي بتوان تعريف واحد و پذيرفته شده اي از آن ارائه کرد.
شکل ۱- ماهيت ميان رشته‌اي
[بزرگ‌نمايي تصوير]
شکل ۱- ماهيت ميان رشته‌اي

مثالي که براي نشان دادن اين تعدد تعاريف استفاده مي شود اين است که اگر از پنج صاحب نظر در حوزه نانو نظرخواهي شود، احتمالاً آنان پنج تعريف متفاوت از فناوري نانو ارائه خواهند کرد.

يکي از آنها به مواد و کاربردها، يکي به تجهيزاتي که دستکاري و تجسم اشيا و فرآيندها در سطح مولکولي را ممکن مي سازند و ديگري به تمايز بين نانومواد و نانوفرآيندهاي ساخت بشر و آنهايي که به طور طبيعي به وجود مي آيند، اشاره خواهد کرد.

يک مورد هم احتمالاً بيشتر به اين نکته که فناوري نانو چه چيزي نيست اشاره خواهد کرد تا اين که چه چيزي هست. به طور مثال يک فناور به اين نکته اشاره مي کند که فناوري نانو را نبايد به هر آن چه در سطح مولکولي اتفاق مي افتد اطلاق کرد در غير اين صورت بايد به فعاليت يک متصدي بار در آمريکا که براي توليد نوعي نوشيدني، مولکول هاي مخمر جو سياه را با مولکول هاي نوشيدني شيرين افسنطين ترکيب مي کند، فناوري نانو اطلاق کنيم.

حال به سراغ تعريفي مي رويم که کاربرد بيشتري دارد (احتمالاً نفر پنجم!) و به ما براي رسيدن اهداف مان در اين مقاله بيشتر کمک خواهد کرد:

به گفته بروس ويزمن، استاد دانشگاه رايس که اولين مرکز تحقيقاتي دانشگاه فناوري نانو در آمريکا را در سال ۱۹۹۳ تأسيس کرده است يک هم گرائي در جامعة علمي براي رسيدن به يک تعريف استاندارد شده وجود دارد که مي توان آن را اين گونه بيان کرد: دستکاري ماده در سطح مولکولي و اتمي براي به وجود آوردن ساختارهاي مهندسي شده براي کاربردهاي معين.

● تأثيرات فناروي نانو بر فناوري فوتونيک چقدر خواهد بود؟

به طور بالقوه بسيار زياد. بنابر گزارش منتشر شده در ژانويه ۲۰۰۵ به وسيله Business Communications (Norwalk)، بازار جهاني تجهيزات نانوفوتونيک از ۴۲۱ ميليون دلار در سال ۲۰۰۴ به ۳/۹ ميليارد دلار در سال ۲۰۰۹ خواهد رسيد که کاربردهايي کليدي، بين ديودهاي نورافشان و نور ميدان- نزديک متغير خواهد بود.

● حوزه هاي کاربردي نانوفوتونيک

يکي از گزارش هايي که امسال توسط شرکت Strategies با مسئوليت نامحدود در mountainview کانادا منتشر شده است، اشاره مي کند که کاربردهاي کوتاه مدت نانوفوتونيک به چهار دسته اصلي نمايشگرها، ديودها، نورافشان، سلول هاي خورشيدي (دريافت کننده هاي انرژي خورشيدي) و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهد شد و بازار نهايي آن از مسائل مربوط به امنيت و پزشکي تا هوش کنترل شده و فناوري اطلاعات و ارتباطات گسترده خواهد بود.

در حوزه فناوري هاي تواناساز سه فناوري که رشد بيشتري نسبت به ديگر فناوري هاي نانوفوتونيک داشته اند نقاط کوانتومي، نانولوله هاي کربني و بلور هاي فوتونيکي بوده اند.

نقاط کوانتومي در حجم وسيعي براي کاربردهايي چون زيست پزشکي توليد مي شوند. همين طور نانولوله هاي کربني کاربردهاي جديدي در خودرو، پزشکي، نمايشگرها و محاسبات مي يابند. بلور هاي فوتونيکي نيز به جهان نانو هجوم آورده اند. به طور مثال در IBM محققان از بلور هاي فوتونيک براي ساخت مدارهاي نانوفوتونيک استفاده مي کنند (که هم اکنون ۲۰۰ تا ۳۰۰ نانومتر هستند) که هدف نهايي آنها به وجود آوردن نانوفوتونيک با قابليت تطبيق پذيري با نيمه رساناهاي اکسيد فلزي يا همان CMOSها براي دستيابي به توليد انبوه مدار مجتمع هاي فوتونيکي و به طور تدريجي مدارهاي نانوئي ۱۰۰ نانومتري و کوچکتر است.

● شناسايي زيرساخت هاي حياتي براي توسعه نانوفوتونيک :

سؤالي که پيش آمد اين است که در صورتي که کشور ما بخواهد به توسعه نانوفوتونيک پرداخته و از کاربردهاي آن بهره مند گردد، کدام فناوري ها نقش حياتي تري را در اين راه ايفا خواهند کرد و در صورت عدم وجود آنها تلاش براي دسترسي به آنها در اولويت قرار خواهد گرفت که البته پاسخ به چنين سؤالي نياز به تحقيقات عميق و طولاني مدت دارد که از حوصلة اين مقاله خارج است ولي براي به دست آوردن يک پاسخ ابتدايي و نسبتاً منطقي مي توان از يک مدل ساده استفاده کرد.

ابتدا بايد کاربردهاي اصلي نانوفوتونيک و فناوري هاي مربوط به هر کدام را شناسايي نمود و بررسي کرد کدام فناوري ها به اکثر کاربردهاي مادر مربوط مي شوند که البته در اين راه بايد به دليل يافتن پاسخي قطعي تر براي کاربردهاي مختلف است ضريبي قائل شد. فناوري هايي که از اهميت کمتري برخوردارند و نمره بالائي کسب نکرده، مشخص شوند تا تلاش براي دسترسي به آنها باعث صرف منابع در زمينه هاي بدون اولويت نشود.

همان طور که ذکر کرديم کاربردهاي کوتاه مدت و سودآوري نانوفوتونيک به چهار دسته اصلي نمايشگرهاي ديود نورافشان، پيل هاي خورشيدي و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهند شد، پس ما براي فناوري هاي مربوط به اين ۴ دسته ضريب ۲ قائل خواهيم شد.

● مراکز مهم تجاري نانوفوتونيک در جهان

مسأله بعدي يافتن راهکارهايي براي توسعه اين فناوري ها و در مرحله بعد تجاري سازي کالاهاي نانوفوتونيک است که به احتمال قوي و طبق نتايج به دست آمده تحقيقات مديريت راهبردي، يکي از مؤثرترين اين راهکارها همکاري با مؤسسات مهم تجاري و تحقيقاتي نانوفوتونيک دنيا است.

در اين مقاله ما به اختصار به معرفي مراکز پيشرو تجارت نانو فوتونيک در جهان مي پردازيم، ضمن اين که مراکز تحقيقاتي و دانشگاهي نانوفوتونيک در مقاله اي ديگر به طور جداگانه بررسي خواهند شد.

▪ در زمينه نانوذرات و نانوبلور ها شرکت ها Evident technology در نيويورک آمريکا و Nanosolutions در هامبورگ آلمان جزو مهمترين شرکت ها هستند.

▪ در زمينه استفاده از نانولوله در نمايشگرها شرکت DuPont در دلاوير آمريکا و Samsung در سئول کره جنوبي مهمترين مراکزند.

▪ شرکت هاي Konarka در ماساچوست آمريکا و STMicroelectronics در جنوا سوئيس فعالترين مراکز تجاري درباره سلول هاي خورشيدي هستند و بزرگترين شرکت هايي که درباره سيم ها و بلور هاي فوتونيکي فعال هستند. NanoOpto در نيوجرسي آمريکا و LittleOptics در مري لند آمريکا هستند.

● آينده و چالش هاي نانوفوتونيک

در طول سال ها، نانوفوتونيک از توسعه مواد در نيمه رساناها و مفاهيم توسعه در فيزيک اتمي و خود ساماني در علوم شيمي سود برده است و اين مسئله منجر به اين شده است که بازۀ وسيعي از مفاهيم و کاربردها زير چتر نانوفوتونيک قرار گرفته و راهي را به سوي فوتونيک مولکولي باز کرده اند که چشم انداز فوق العاده اي را به ما مي نماياند.

اگر چه هنوز اپتيک و ليزر ابزارهاي مقدماتي در تجارت نانو هستند، ولي جالب است ذکر کنيم که در حالي که فوتونيک بيشتر شامل تجهيزات سامانه ها و زيرسامانه ها است، نانوفوتونيک بيشتر به کاربردهاي فناوري هاي اپتيکي موجودبراي ساخت، دستکاري و تصويربرداري از اشياء در قطع هاي نانوئي و مولکولي مي پردازد.

در حقيقت يکي از کاربردهاي اصلي نانومقياس در فناوري هاي نوري تعيين مشخصات است، که در کاربرد فلوئورسانس و طيف نمائي نوري و تکنيک هاي مرتبط در تحقيقات براي تعيين مشخصات بهتر با ابزاري مانند مواد نانولوله اي و فرآيندهاي مولکولي شاخص ترين موارد هستند.

يشرفت هاي به دست آمده در تکنيک هاي نوري و غير نوري منجر به تصاوير با دقت بسيار بالا از اشياء بسيار ريز مي باشد.

محققان بيان مي کنند که در تمام تحقيقات نانوئي از روش هاي مشابهي از تعيين مشخصات به وسيله نور استفاده شده است ولي مشکل اصلي نانوساختارها مانند نانولوله ها، تفاوت هاي ساختاري فراوان آنها است که چالش هايي را فراروي "گزينش انتخابي" قرار داده است. محققان اين رشته بايد به طور مداوم با چنين مشکلي دست و پنجه نرم کنند.

حل اين مسأله براي توليد انبوه و در مقياس بالاي فناوري ها و تجهيزات نانوفوتونيک ي حياتي است. حتي نانولوله هاي کربني نيز که هم اکنون در حجم هاي تقريباً انبوه توسط بعضي توليد کنندگان ساخته مي شوند هنوز از عدم وجود استانداردهاي قابل اطمينان رنج مي برند که اين مسأله تأثير مهمي بر کارآئي بسياري از کاربردهايش دارد.

محققان در آزمايشگاه هاي مختلف از روش هاي مختلف استفاده مي کنند و اين گونه است که نتايج کار آنها مي تواند متفاوت باشد و توليد کنندگان نانولوله ها در کنترل ترکيبات محصول دچار مشکلاتي اساسي مي شوند که اين مسأله در حقيقت، تحقيقات و بعضي از جنبه هاي تجاري سازي را کند مي کند. با اين موضوع همچنين از بعضي از کاربردهاي بسيار ظريف که مي توانند از خواص نوري بسياري دقيق سود برند، جلوگيري مي کند. بنابر اين تلاش هاي بسياري براي توليد نانولوله هاي کربني با کنترل و گزينش بيشتر صورت مي گيرد.

از سوي ديگري تلاش ها به سمت کنترل تغييرات خواص مواد متمرکز شده است که در حين ساختار يافتن اشياء به کمک نور رخ مي دهد.

ديگر محققان نيز در حل کار بر روي نانومواد و نانوتجهيزاتي هستند که از لحاظ زيست محيطي و زيستي سازگارتر باشند. از سوي ديگر، هزينه بالا، زمان بر بودن و قابليت بالقوه تخريب طبيعي ديگر چالش هايي بوده اند که گروهي از محققان را واداشته است که براي استفاده از فرآيندهاي طبيعي نانوئي مانند خزه هاي دريايي و نوعي از غبار که فرآيندهاي نانوئي در آن رخ مي دهد در محصولات و سطوح ديگر تلاش هايي را صورت دهند.

ربات به اين کوچکي،‌کارها به اين بزرگي

نانوتکنولوژی در مهندسی پزشکی ، تحولی در درمان بیماری هایی مانند سرطان ، بیماری های قلبی-عروقی ، بیماری های اعصاب ، عفونت و بیماری های دیگر ایجاد کرده است. نانوتکنولوژی باعث به وجود آمدن ابزار کوچک ، سریع و ارزان با عملکرد های جدید شده است . تحولات نانوتکنولوژی در علوم مختلف، سنسور ها ، کامپیوتر ها  باعث ظهور نانو و میکرو ربات ها شده است. میکرو و نانو ربات ها از یک سو با حجم زیادی از اطلاعات سر و کار دارند و از سوی دیگر از طریق سنسور ها و عملگرها با جهان فیزیکی در ارتباط هستند.

نانورباتیکنانورباتیک علم جدیدی است که شامل طراحی ، ساخت و برنامه نویسی نانو ربات است. نانورباتیک در ارتباط با موارد زیر کاربرد دارد:
1- ساخت ربات هایی با ابعاد نانو یا ساخت میکرو ربات هایی که از اجزای نانومتر یک تشکیل شده اند.
2- برنامه نویسی ربات ها
3- جابجایی ذرات نانومتریک و اسمبل کردن این ذرات 
حیطه کاری نانو ربات ها درون بدن انسان است و می توانند مقدار ترکیبات مختلف را در بدن نشان داده و اطلاعات را در حافظه داخلی خود ذخیره کنند. نانو ربات ها قادر به معاینه یک بافت خاص بوده و خصوصیات بیوشیمیایی و بیومکانیک را با جزئیات کامل بررسی می کنند و به طور کلی شناسایی محیط بیولوژیک را به راحتی انجام می دهند. قابلیت های مطلوبی که یک نانو ربات باید داشته باشد عبارتند از:

تجمع هوشمند
هوشمند بودن نانو ربات ها در جمع شدن در یک محل خاص برای انجام عملیات پزشکی و اینکه پس از اتمام ماموریت،در صورت لزوم، پراکنده شوند.

رفتار های مشارکتی و همکاری یعنی همکاری نانو ربات ها و هماهنگ عمل کردن آنها در ماموریت ها ، گاهی عملکرد دسته جمعی نانو ربات نتیجه بهتری دارد.

خود ترمیمی نانو ربات ها
برخی نانو ربات ها باید قادر باشند که به طور اتوماتیک خودشان را اسمبل کرده یا همانند موجودات تک سلولی تکثیر یابند و نیز در صورت صدمه دیدن بتوانند خودشان را تعمیر کنند.

برنامه ریزی و پردازش اطلاعات پردازش اطلاعات جمع آوری شده از محیط بیولوژیک و برنامه نویسی کردن برای نانو ربات ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است .
 از نظر عملکردی نانو ربات ها به دو دسته تقسیم می شوند:
1- ربات های خودمختار: هر کدام از نانو ربات های این دسته به طور جداگانه دارای یک نانو کامپیوتر است که نانو ربات را کنترل کرده و باعث می شود که نانو ربات مستقل عمل کند.
2- ربات های Insect : این نوع ربات ها در یک ناوگان نانورباتیک قرار دارند که همگی تحت یک کامپیوتر مرکزی کنترل می شوند.

نانو ربات های پزشکی
انتظار می رود که بیشتر نانو ربات های اولیه پزشکی برای تشخیص بیماری و ترمیم ضایعات و عفونت ها به کار روند. این طراحی شامل سیستم مویرگی نیز می شود. حد اکثر قطر مویرگ ها 20 میکرون است  و قطر متوسط آنها 8 میکرون است. طراحی نانو ربات های پزشکی باید به گونه ای باشد که این اندازه ها را در بر گیرد ، زیرا سلول های خونی باید از این دیواره ها عبور کنند. سلول های خون انعطاف پذیر هستند در حالی که نانوربات ها به این صورت نیستند لذا باید به سلول ها بچسبند. ماده اولیه ای که نانو ربات های پزشکی از آن ساخته می شوند عموما کربن است که می تواند در اشکال و فرم های مختلف وجود داشته باشد. طبیعت الگوی مناسبی برای ساخت نانو ربات است.لذا برای ساخت نانو ربات از مواد طبیعی موجود مثل DNA، پروتئین و رشته های پپتید استفاده می شود. به این نوع ربات ها بیو-نانو ربات اطلاق می شود. به طور کلی nano device هایی که در پزشکی کاربرد دارند ،جایگزین مناسبی برای سلول های بیمار یا نا مناسب است.

منابع انرژی برای نانو ربات ها
مؤثر ترین روش برای این که نانو ربات ها مدام در حال حرکت و فعالیت باشند(در هر محیطی نه صرفا محیط بیولوژیک)،ایجاد منابعی از انرژی است که از محیطی که نانو ربات در آن مشغول به کار است فراهم شود. انرژی جنبشی سیال،اشعه های الکترومغناطیسی که از نور ساطع می شوند گزینه های مناسبی برای منبع انرژی هستند، که این اشعه ها برای فضای کاری باز مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین استفاده از تغییرات دمایی یا کم و زیاد شدن نور نیز گزینه مناسبی هستند. اما برای یک فضای کاری گسترده انرژی تولید شده از ارتعاش مناسب تر خواهد بود که در محیط های مختلف از جمله محیط بیولوژیک می توان از آن استفاده کرد.

مزایا و مشکلات  نانورباتیک
به طور کلی در ساخت  نانو ربات دو مسئله مهم وجود دارند. اولا شبیه سازی و طراحی بر اساس ربات های ماکرو که شامل نیروی محرکه،برقراری ارتباط و جهت یابی است و ثانیا اسمبل کردن قطعات نانو ربات. تحقیقات در زمینه نانورباتیک  

  برای دیدن ادامه ی مطلب به ادامه ی مطلب بروید...                                                                           

                                                                             به نقل از سایتiranbmemag.com

ادامه نوشته

تاریخچه ی نانو

استفاده از نانو تکنولوژی برخلاف تصور عمومی دارای سابقه تاریخی طولانی است.تفهيم اينكه نانوتكنولوژي چگونه اولين اثرات خود را بر زندگي بشريت گذاشت و اينكه از آن زمان تاكنون چگونه موجب زندگي بهتر و گشودن درهايي براي اكتشافات بيشتر بوده است کار چندان آسانی نیست.

کشفیات باستان شناسان روشنگر استفاده از نانو تکنولوژی حتی در دوران قبل از میلاد مسیح است. يك محصول معروف که از آن دوره به جا مانده و در کاوش های اخیر به دست آمده ، جام لیکورگوس است که در موزه بریتانیا نگه داری می شود. ماده اصلي اين جام از شيشه است و مربوط به قرن چهارم قبل از میلاد است.

این جام داراي بدنه برنزي با لبه هاي برجسته است و آن چيزي كه اين جام را بي همتا مي سازد اين است كه در برابر نورهای با رنگ های مختلف ، رنگ های مختلف را از خود نشان می دهد.

مطالعات ميكروسكوپي روشن نموده كه شيشه اين جام داراي ذرات نانو از جنس طلا و نقره است اين ذرات خواصي را بروز مي دهند كه از ذرات درشت موجود در آن متفاوت است.بعد ها در قرون وسطی از این روش برای ساخت شیشه کلیسا ها استفاده شد.

همچنین شواهدی مبنی بر نانوساختاری بودن رنگ آبی بکاربرده شده توسط قوم مایا موجود است.

شيشه هاي رنگي (400-1500) :
علي رغم نا آگاهي از دليل آن ، در ساخت شيشه هاي رنگي در زمان هاي بسيار دور ازذرات نانو استفاده مي شده است. رنگ سرخ ياقوتي بعضي از شيشه هاي رنگي به دليل نانو ذرات طلا بدام انداخته شده در ماده زمينه آن مي باشد . به همان ترتيب رنگ زرد پررنگ بدليل نانو ذرات نقره است . اندازه متفاوت نانوذرات ،دليل رنگ هاي الوان و متنوع بوده است . اين مثال از تعويض خواص ظاهر شده در مواد ( در مورد رنگ ها ) در ذرات نانو كلياتي از خواص اين ذرات است

دروتا ( ظروف سفالین) (1450- 1600 ) :
دروتا و اُمبريا ظروف سفالين با رنگ آميزي هنرمندانه در قرون 15 و 16 با بكار گيري اشكال ابتدايي از نانو تكنولوژي هستند . سراميك دروتا با رنگين كمان هاي شورانگيز يا لعاب هاي متاليك كه در قرون 15 و 16 در سراسر اروپا متقاضيان فراوان داشت . براي دستيابي به رنگهاي طلايي و قرمزاز نانو ذراتي از فلز مس و نقره به اندازه پنج ميليونيوم متر استفاده مي شد كه در عوض پخش كردن نور از سطح اجسام موجب مي گشت تا نور هايي با طول موج هاي متفاوت ساتع گردد كه موجب بوجود آمدن حالت رنگين كمان يا متاليك مي گشت.
كشف كلوئيد هاي طلا 1857
گرچه كلمه "نانو" در آن زمان استفاده نمي شد اما ميشل فارادي اولين كلوئيد هاي فلزي را در1856 كشف كرد .
كلوئيد ها ذراتي هستند كه در يك محلول معلق اند ( مابين ذرات حل شونده و آنهايي كه در حلال رسوب مي كنند).
كلوئيد هاي طلايي فارادي خواص الكترونيكي و شيميايي مخصوصي داشتند و الآن بعنوان يكي از بهترين نانو ذرات فلزي شناخته می شوند. بنا به تشخيص بسياري ، يكي از بهترين آزمايشگرها و شيميست ها و فيزيسين هايي كه تابحال بدنيا آمده دانشمند انگليسي فارادي بوده كه داراي تحصيلات ابتدايي بود و در 14 سالگي شاگرد يك صحاف كتاب بوده . در آنجا اوبه كارهاي شيمي و فيزيك علاقه مند بود و بعد از شنيدن سخنراني شيميست معروف هامفري ديوي يادداشتهايي از سخنراني ديوي را برايش ارسال مي كند و به اين ترتيب معاون ديوي در آزمايشگاه رويال در انسيتو لندن مي شود . در سن 21سالگي بيش از 600 آزمايش توسط او انجام مي گيرد .

1908 تئوري مـاي (Mie):
فيزيكدان آلماني گوستاو ماي نقش مؤثري در نانو تكنولوژي با طرح تئوري پراكندگي نور توسط ذرات داشت . او نشان داد كه امواج كوتاه در پراكندگي نور مؤثر تر از امواج با طول موج بلند است . ما آسمان را آبي مي بينيم چرا كه مولكولهاي هوا ( كه بسيار ريز هستند) در فاصله كوتاه نور را بيشتر در طول موج آبي مي شكنند تا زرد يا قرمز چرا كه نور آبي امواج كوتاه تري دارد . وقتي خورشيد غروب مي كند نسبت به وسط روز فاصله بيشتري از ما مي گيرد ،در اين مورد پراكندگي بيشتر توسط ذرات گرد و غبار صورت مي گيرد . اين ذرات هنوز اثر بيشتري بر امواج آبي دارد تا زرد و قرمز ، بنابراين نوري كه هنوز شكسته نشده به ما مي رسد كه مخلوطي از رنگهاي زرد و قرمز است . پس رنگ آسمان در هنگام غروب قرمز و زرد به نظر مي رسد.
تئوري ماي به دانشمندان كمك كرد تا به اين نتيجه برسند كه اندازه ذرات مشخص كننده رنگي است كه ما مي بينيم . ماي اندازه تعداد زيادي از ذرات را بوسيله تشخيص نورهايي كه آنها را مي شكند بدست آورد . براي اندازه گيري نانو ذرات و ذرات بزرگتر اين تئوري مستلزم محاسبات هنگفتي است بنابر اين تا حدود 20 سال پيش - كه سوپر كامپيوتر ها توانمند شدند - بندرت بكار برده مي شد . هم اكنون تئوري ماي (بخوبي پيشرفت هاي اخير ديگر ) به پژوهشگران كمك مي كند تا اندازه نانو ذرات را محاسبه كنند.

ريچارد فيمن 1959
شاید بتوان بزرگترین تحول در تاریخ نانوتکنولوژی را در سخنرانی فیزیکدانی به نام ریچارد فیمن (استاد فيزيك انستيتو كالتك ) در کنفرانس انجمن فیزیک آمریکا در سال 1959 دانست.در این کنفرانس ایشان با ارائه مقاله ای با عنوان (( فضای کافی در پایین وجود دارد))، در باره دستکاری مواد در ابعاد اتمی صحبت نمود.این مقاله امروزه به عنوان بخشی از آیین نامه انجمن های نانو تکنولوژی در آمده است.
او سال 2000 را سال ورود به دنياي ريز ناميد .اوبا انجام محاسباتی نشان داد که می توان با استفاده از پرتوی الکترونی کل اطلاعات نسخه 25000 صفحه ای دایره المعارف بریتانیکا را بروی یک سر سوزن جای داد و به حاضرين در جلسه قول داد به اولين كسي این کار را انجام دهد، يك هزار دلار جايزه خواهد داد ( اين جايزه را تام نیومن در سال 1985 دريافت كرد).

بخشی از سخنرانی فیمن در آن جلسه به این شرح است:
من ضد جاذبه اختراع نمی کنم ، چیزی که ممکن است روزی اتفاق بیفتد تنها اگر قوانین ، قوانینی نباشد که ما فکر می کنیم . من در باره آن چیزی صحبت می کنم که می تواند رخ دهد، اگر قوانین آن چیزی باشند که ما فکر می کنیم ؛ و این به سادگی امکان پذیر است زیرا ما هنوز به آن وارد نشده ایم.

فيمن بعدها در سال 1965جايزه نوبل را در رشته فيزيك دريافت كرد.

اولين استفاده از كلمه نانوتكنولوژي 1974
كلمه نانو تكنولوژي اولين بار توسط نوريو تانيگوچي (Norio Taniguchi ) از دانشگاه علوم توكيو بكار برده شد . او اين كلمه را در ارتباط با " تكنوژي محصولات براي دستيابي به دقت بالا و بهترين اندازه ها بعنوان مثال دقيق ترين و عالي ترين در حد يك نانو متر " بكار برد .

نانولوله هاي كربني 1991
سوميو ليجيما (Somio Ligima ) از NEC در ژاپن شكل جديدي از كربن با نام لوله هاي نانو را كشف كرد كه شامل تعدادزيادي لوله است كه در كنار يكديگر لانه گزيده اند .دوسال بعد از ليجيمتا ،دونالد بتون (Donald Bethune ) و ديگران در IBM آمريكا نانوتيوبهاي تك ديواره با ضخامت 1-2 نانومتر را كشف كردند . نانو تيوب ها رفتاري شبيه فلزات يا نيمه رسانا داشتند اما مي توانستند الكترونها را بهتر از مس و گرما را بهتر از الماس عبور دهند و جزو مواد مستحكم شناخته شدند .نانو تيوبها خواهند توانست نقش محوري در فعاليت هاي كاربردي داشته باشند و در نانو تكنولوژي باتوجه به ويژگي الكتريكي قابل ملاحظه و خواص مكانيكي آنها قابل بهره برداري گردند .


میکروسکوپ ها:
در این بین ساخت و اختراع میکروسکوپ های مختلف (اولين ميكروسكوپ الكتروني 1931 ، ميكروسكوپ الكتروني با زمينه يوني اروين مولر 1951، ميكروسكوپ اسكنينگ تونلينگ 1981 ،ميكروسكوپ نيروي اتمي 1986) نقش عمده ای در شناخت و پیشرفت نانوتکنولوژیِ ایفا کردند.

ابرنانولوله هاي كربني

محققان با استفاده از خاصيت اتصال نانولوله ها به همديگر،‌ ساختار جديدي موسوم به اَبَرنانولوله‌ها (Super-Carbon Nanotube) را معرفي كرده اند. اين ساختار، از بهم پيوستن (Y- شكل) نانولوله‌هاي كربني تك ديواره و تشكيل صفحات اَبَرگرافيتي (همانند گرافين در نانولوله‌هاي كربني) به وجود مي‌آيد كه در نهايت با لوله‌اي شدن اين صفحات، ساختاري سيلندرمانند موسوم به ابرنانولوله‌هاي كربني حاصل مي‌گردد.

كربن در طبيعت با ساختارهاي مختلفييافت مي‌شود، از اين ميان گرافيت، الماس، فولرين‌ها و نانولوله‌هاي كربني بيشتر مورد مطالعه قرار گرفته اند.يك نانولوله كربني تك ديواره از لوله‌اي شدن صفحات گرافيني به وجود مي‌آيد.

اين تركيبات به واسطه خصوصيات مكانيكي و حرارتي فوق العاده ناشي از پيوندهاي كربن - كربن و خصوصيات الكتريكي جالب توجه حاصل از ساختار بسته كوانتومي، نقش مهمي را در توسعه فناوري‌نانو ايفا مي‌كند. نانولوله‌هاي كربني تحت تابش پرتو الكتروني در دماي بالا به هم جوش خورده، اتصالاتي به فرم T , Y , X تشكيل مي‌دهند. كولوسي (Coluci) و همكارانش در دانشگاه كامپيناس برزيل (Universidade Estadual de Campinas)، با توجه به اين خصوصيت، ساختار جديدي از نانولوله‌ها موسوم به ابرنانولوله‌ها (Super-Carbon Nanotube) را معرفي كرده اند. اين ساختار، از بهم پيوستن (Y- شكل) نانولوله‌هاي كربني تك ديواره و تشكيل صفحات ابرگرافيتي (همانند گرافين در نانولوله‌هاي كربني) به وجود مي آيد كه در نهايت با لوله‌اي شدن اين صفحات، ساختاري سيلندر-مانند موسوم به ابرنانولوله‌هاي كربني حاصل مي‌گردد. شكل، نحوه تشكيل نانولوله‌هاي كربني و ابر نانولوله‌هاي كربني را نشان مي‌دهد. اين نوع ساختار منحصر به نانولوله‌هاي كربني نيست و ساختارهاي نانولوله‌اي ديگر نظير نيتريد بور نيز مي‌تواند از طريق ايجاد پيوندهاي T , X- شكل، چنين ابرنانولوله‌اي را تشكيل دهد. از سوي ديگر، به‌واسطه اندازه و خصوصيات فيزيكي اين ابرنانولوله‌ها، مثل سطح ويژه بالا، استحكام و انعطاف‌پذيري فوق‌العاده، رفتار فلزي و شبه‌فلزي (نيمه رسانايي) جالب توجه، براي آنها كاربردهاي متنوعي نظير بسترهاي فعال كاتاليستي (واكنش مولكول‌هاي زيستي) ، تهيه كامپوزيت‌ها و كاربرد‌هاي الكتروشيميايي پيش‌بيني مي‌شود. از خصوصيات بارز ديگر ابرنانولوله‌ها، مي‌توان به وجود منافذ بزرگ روي ديواره آنها اشاره كرد كه از نظر اندازه با اندازه طبيعي پروتئين‌ها (حدود پنج تا20 نانومتر) قابل مقايسه است؛ اين خاصيت موجب مي‌گردد تا از اين اَبَرنانولوله‌ها براي شيمي ميزبان-مهمان (host-guest)يا پروتئين‌رساني (protein delivery) استفاده كرد. همچنين اين خاصيت، امكان كريستالوگرافي از مولكول‌هاي زيستي را كه توانايي كريستاله شدن ندارند، فراهم مي‌آورد.

شكل 1. مقايسه دو ساختار نانولوله كربني و ابرنانولوله كربني؛ اتصالات نانولوله كربني به جاي پيوندهاي كربن و جانشيني اتصالات سه‌تايي Y- شكل نانولوله‌هاي كربني به جاي پيوندهاي سه‌تايي كربن‌ها

اشاره‌اي به کاربردهاي فناوري نانو در صنعت خودرو

اشاره‌اي به کاربردهاي فناوري نانو در صنعت خودرو

امروزه فناوري نانو در بخش‌هاي مختلفي از صنعت خودروسازي وارد شده است که غفلت از آن باعث عقب‌ماندگي کشور در صنعت خودروسازي مي‌گردد. اين فناوري عامل بسيار مهمي در توليد خودروهاي کم مصرف‌تر و مرغوب‌تر خواهد بود.
پس بجاست که مديران صنعت خودروسازي کشور تلاش مجدانه‌اي در جهت دستيابي و توسعه اين فناوري در صنعت خودروسازي کشور نمايند و با تلاش دو چندان در پي تجاري سازي آن باشند. صنايع خودروسازي در کنار صنايع ديگر از يک سو نگرشي به کاهش هزينه‌ها دارد و از سوي ديگر در پي تلاش براي استفاده از فناوري‌هاي نوين درکنار ملاحظات زيست‌محيطي مي باشد.
از عوامل کليدي در صنعت خودرو مي‌توان به موارد زير اشاره کرد:

1. کاهش آلايندگي و مصرف سوخت
2. بازيافت
3. ايمني
4. بهبود عملکرد و ا فزايش کارايي موتور
5. زيبايي گرايي

کاربردهاي آتي در صنعت خودرو
فروش بيش از 55 ميليون خودرو در سرتاسر جهان در سال 2002 صنعت خودرو را به يک بازار اقتصادي بزرگ و صنعت بسيار جذاب تبديل کرده است. از اين فناوري بيشتر براي بهبود استحکام، کاهش وزن، توليد مواد با سختي بالا (نانوکامپوزيت‌ها)، استفاده بيشتر از انرژي (پيل‌هاي سوختي) و نانوکاتاليست‌هاي جديد (کنترل آلايندگي) استفاده مي‌شود.
توليد کنندگان خودرو به دنبال راه‌هاي استفاده از فناوري نانو به عنوان ابزاري براي کاهش هزينه‌ها و بهبود عملکرد اجزاء خودرو در کنار راحتي و ايمني هستند.
در همين رابطه يک شرکت بزرگ که در سال‌هاي 1989، 1990 و 1995 تجربيات موفقي در مطالعه روي فناوري ميکروسيستم‌ها، ميکروالکترونيک، صنايع خودرو و صنايع هواپيمائي داشته، در ادامه مطالعات خود به کمک 70 خودروساز معتبر دنيا از جمله مرسدس بنز، BMW ، فراري، ولوو، پورشه، پژو، جنرال موتورز، فورد و ... آمده و مطالعاتي را روي فناوري نانو و فناوري‌هاي مرتبط با آن جهت استفاده در اين صنايع انجام داده است.
هدف از انجام اين مطالعات، بررسي بازار سراسري کارخانه‌ها، ارگانها، شاخه‌ها، محصولات و تحقق و توسعه آنهاست. مطالعات نشان دهنده حجم معاملات و برگشت پذيري آن در زمينه‌هاي توليد زنجيره ارزش کارخانجات و موفقيت آنها در کنار استراتژي فرصت‌ها و ريسک‌پذيري آنها براي سالهاي آينده مي‌باشد. همچنين در اين مطالعات، به شکل جداگانه، بازار اين گونه محصولات در کشورهاي آمريکا، ژاپن، آلمان، چين و ديگر کشورهاي اروپايي و آسيايي مورد بررسي قرار گرفته است.
بازارهاي بخش‌هاي فناوري نانو در صنعت خودرو مطابق تحقيقات انجام شده، بصورت ذيل مي‌باشد:

1. توليد و ذخيره انرژي
   • پيل‌هاي سوختي
   • پيل‌هاي خورشيدي
   • کاتاليزورهاي گازوئيلي و بنزيني
   • ذخيره‌سازي انرژي
2. مواد نانوساختار – نانوکامپوزيت‌ - نانوذرات
   • نانوساختارهاي سبک وزن
   • مواد مقاوم در برابر آتش و حرارت
   • افزايش استحکام و بهبود پايداري
   • رنگ‌ها و پوشش‌هاي نانوساختار و هوشمند
   • خود تميز شونده‌ها
   • مقاومت به خراش
   • عملکرد نوري پوشش‌ها
   • مواد قابل برنامه‌ريزي
3. حسگرها و نمايشگرهاي دقيق
   • نمايشگرهاي حرکت
   • نمايشگرهاي فشار
   • نمايشگرهاي شيب
   • سيستم‌هاي بيومتريک
   • حسگرهاي جوي
4. نانوالکترونيک
   • مديريت هوشمند موتور
   • سيستم روشنايي
   • الکترونيک در دماي بالا
   • کنترل امنيت
   • باطري‌هاي با طول عمر طولاني
5. مواد و پوشش‌ها
   • پوشش‌هاي نانوکامپوزيتي با اصطکاک پائين‌
   • پوشش‌هاي نانوکامپوزيتي مقاوم به سايش
   • پوشش‌هاي مقاوم به حرارت
6. کاربردهاي زيستي
   • تجهيزات بهداشتي
   • سيستم‌هاي امداد
   • طراحي زيستي
7. توليد
   • اندازه‌گيري و کنترل
   • اداوات، ابزار و ماشين‌ها
   • اتوماسيون
8. محيط زيست
   • فناوري زيست محيطي
   • بازيافت
   • سوخت
9. ابزارهاي نانو و فناوري‌هاي متقارب در صنعت خودرو
   • فناوري بر اساس نانولوله‌هاي کربني
   • مدل سازي و شبيه‌سازي
   • نانوحسگرها و محرک‌ها
   • اسپينترونيک و نانومغناطيس

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.

در آسمان نانو

 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

---

محافظت از سلول هاي خورشيدي آلي توسط نانوکامپوزيت ها

افزايش توجه به واکسن هاي نانوامولسيوني براي ايجاد ايمني در برابر بيماري هاي ويروسي

ابداع دو تکنيک جديد براي تشخيص سرطان با استفاده از نانوذرات

و چند موضوع جالب دیگر

همه در ادامه مطلب

ادامه نوشته