برخي كاربردهای نانوتکنولوژی

طبقه بندی کاربرد ها
مواد جديد همواره يكي از پيشران‌هاي توان‌زاي كليدي براي ساخت سيستم‌ها و كاربردهايي با اثرات چشمگير بوده‌اند. اين مواد مي‌توانند موانع فرآيندهاي قبلي را بشكنند و نهايتاً كاربردهايي با منافع بالقوه جهاني را توليد كنند. مواد در مقياس نانو، يعني موادي كه ويژگي‌هايشان در سطح كمتر از ميكرو (كوچكتر از 10 -6 m ) يا نانو ( 10 - 9 m ) قابل كنترل است. خواص مواد در چنين ابعد و اندازه‌هايي با مواد متعارف اساساً متفاوت است و به همين لحاظ تحقيقات در حوزة نانومواد روز به روز فعال‌تر مي‌شود.
نانوبيوذرات ، ذرات كلوئيدي و جامدي هستند كه شامل اجزاء ماكرومولكولي با اندازه 10-1000nmc با شيمي سطح پيچيده هستند. بسته به روش توليد، نانوذرات به شكل نانوكپسول‌ يا نانوكره هستند نانوكره‌ها سيستم‌هاي ماتريسي مي‌باشند در حالي كه نانوكپسول‌ها سيستم‌هاي وزيكولاراند.
نانوكپسول‌ها نانوذراتي هستند كه داراي يك پوسته و فضاي خالي داخل آن جهت قرارگرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفوليپيدها با يك سر آب‌دوست و يك سر آب‌گريز وقتي در يك محيط آبي قرار مي‌گيرند، تشكيل كپسول‌هايي مي‌دهند كه سر آب‌دوست آن در بيرون و سر آب‌گريز مولكول در درون آن قرار مي‌گيرند، از پليمرهايي مثل ليپيد و پروتئين نيز مي‌توان براي ساخت نانوكپسول استفاده كرد.
درخت‌سان‌ها ( Denderimers ) ماكرومولكول‌هايي با ساختار منتظم و پرشاخه سه‌بعدي، كه به خاطر دانسيته بالاي گروه‌هاي فعال كاربردهاي زيادي دارند. درخت‌سان‌ها به دليل رقابت طراحي و ساخته‌شدن با دقت كاملاً اتمي بيشترين توانمندي را در مقايسه با نانوحفرات، نانوكپسول‌ها و نانوذرات از خود نشان مي‌دهند.
كاكليت‌ها ( Cochleates ) رسوبات دوظرفيتي فسفوليپيدي پايدار از مواد طبيعي هستند. اين مواد ساختارهاي چندلايه‌اي هستند كه از ورقه‌هاي دولايه‌اي بزرگ و پيوسته چربي كه به شكل مارپيچ درآمده‌اند، تشكيل شده‌اند. آنها محتوياتشان را از طريق لايه سيال خارجي به غشاء سلول‌هاي هدف انتقال مي‌دهند. كاكليت‌ها دربرابر عوامل محيطي مقاوم هستند و ساختار لايه‌اي محكم‌شان آنها را دربرابر تجزيه توسط مولكول‌هاي شكننده Cochleates محافظت مي‌كند، حتي اگر در شرايط سخت محيطي يا دربرابر آنزيم قرار گيرند.
ويروس ظريف‌ترين نانوبيوذره موجود در طبيعت است و به خاطر تنوع‌اش يك موضوع محبوب براي تحقيقات است. براساس دانش موجود در مورد نانوساختاري و قابليت ساخت آن،‌ استفاده از خودآرايي براي ساخت نانوتركيبات قابل استفاده در صنعت بسته به بخش‌هاي تشكيل‌دهنده تركيب دارد. ويروس‌ها مي‌توانند كلون شوند،‌ اين ذرات فعال و قابل تشخيص هستند، همچنين مي‌توانند تغييرات محيط‌شان را حس كنند. براي ساخت ويروس‌ها بايد قادر به ساخت اسيد نوكلئوئيك،‌ پروتئين و ليپيدهاي قطبي باشيم.
ذرات ويروس‌مانند ( Virus Like Particles ) ( VLps )، بيان نوتركيب ساختمان اصلي پروتئين‌هاي بسياري از ويروس‌ها، LP V را توليد مي‌كند. چنين ذراتي مورفولوژي شبيه به كپسيدهاي خالي از ويروس دارند كه از آن منشاء گرفته‌اند، بنابراين ساختارشان شبيه به ويروس اصلي است در عين حال غيرفعالند.
پروتئين نانوذرات، اندازه پروتئين‌ها به طور طبيعي كمتر از مقياس نانو است. با استفاده از روش‌هاي سنتز ذرات در نانوتكنولوژي مي‌توان پروتئين‌هايي توليد كرد كه در مقياس نانو باشند. اين ذرات نانوپروتئيني در سيستم‌هاي انتقال دارو (به عنوان حامل دارو)،‌ ژن‌درماني، توليد كرم‌هاي ضدآفتاب و مواد آرايشي و همچنين در توليد علف‌كش‌هاي نانويي كاربرد دارند.
بطور خلاصه نانوبيوموادها به خاطر اندازه كوچكشان بسيار مورد توجه‌اند و كاربردهاي بسياري دارند از جمله:
• دارورساني،‌ نانوبيومواد به خاطر اندازه كوچكشان مي‌توانند به داخل سلول نفوذ كنند كه باعث تجمع مؤثر دارو مي‌شود و دوم اينكه استفاده از مواد زيست‌تخريب‌پذير براي آماده‌سازي نانوبيوذرات باعث پايداري دارو تا رسيدن به هدف حتي بعد از چند روز يا چند هفته مي‌شود.
• به‌كارگيري نانوبيومواد در پاكسازي محيط زيست.
• استفاده از نانوبيومواد در محصولات آرايشي و بهداشتي مانند كرم‌هاي ضدآفتاب و رنگدانه‌ها، برخي داروها
• انتقال ژن و ژن‌درماني
• توليد واكسن
• استفاده در علف‌كش‌ها و سموم نباتي
• افزودن طعم و رنگ دلخواه به غذا
• آشكارسازي تهديدهاي بيولوژيكي مثل سياه‌زخم، آبله و سل و محدوده وسيعي از بيماري‌هاي ژنتيكي
• افزودن ميكرونوترينت‌هاي حساس به حرارت و pH مثل بتاكاروتن،‌ اسيد چرب 1 مگا3
• درخت‌سان‌ها به دليل دانسيته بالاي گروه‌هاي فعال براي زمينه وسيعي از كاربردها مثل سنسورها كاتاليست‌ها يا موادي براي رهايش كنترل‌شده و انتقال به مكان‌هاي خاص مناسب‌اند.
• Cochleate ها مي‌توانند براي كپسوله‌كردن و انتقال بسياري از مواد فعال زيستي مثل تركيباتي كه به سختي در آب حل مي‌شوند،‌داروهاي پروتئيني و پپتيدي. مواد مغذي حساس به حرارت و pH و شرايط نامساعد محيطي استفاده شوند.
• حفظ سلامت غذا، نانوذرات با چسبندگي خاص قادرند به صورت برگشت‌ناپذير به بعضي از انواع باكتري متصل شوند و مانع آلوده‌كردن ميزبان توسط آنها شوند.
نكته‌اي كه بايد به آن توجه شود اين است كه براي اينكه سيستم‌هاي انتقال (دارو، غذا و ژن) مؤثر باشند،‌ تركيبات فعال كپسوله‌كننده بايد به مكان‌هاي مشخص برسند، غلظت‌شان بايد در يك سطح مناسب براي مدت‌زمان طولاني ثابت باشد و از تجزيه نابهنگام آنها جلوگيري شود. نانوذرات توانايي بيشتري در كپسوله‌كردن و آزادسازي نسبت به سيستم‌هاي قديمي‌تر دارند و به‌خصوص به خاطر اندازه كوچكشان مي‌توانند مستقيماً به سيستم گردش خون وارد شوند.
نانولوله‌هاي كربني اولين نسل محصولات نانو هستند كه در سال 1991 كشف و به جهان عرضه شدند. نانولوله‌ها از پيچيده‌شدن ورقه‌هاي گرانيت با ساختاري شبيه شانه عسل بدست مي‌آيند. اين لوله‌ها بسيار بلند و نازك هستند و ساختارهايي پايدار، مقاوم و انعطاف‌پذير دارند.
نانولوله‌ها قوي‌ترين فيبرهاي شناخته‌شده‌اند، 100-1 برابر قوي‌تر از واحد وزني استيل هستند و مي‌توانند جايگزين سراميك‌هاي معمولي، آلومينوم و حتي فلزات در ساخت هواپيما، چرخ‌دنده‌ها،‌ ياتاقان‌ها، اجزاء ماشين، دستگاه‌هاي پزشكي، وسايل ورزشي و دستگاه‌هاي صنعتي توليد غذا شوند.
مطالعات اخير پيشنهاد مي‌كند كه از نانولوله‌هاي كربني براي اهداف بيولوژيكي مثل كريستاليزاسيون پروتئين‌ها و ساخت بيوراكتورها و بيوسنسورها استفاده شود. نانولوله‌هاي كربني در محيط‌هاي آبي نامحلول‌اند. بنابراين براي كاربردهيا بيولوژيكي بايد بر اين مسأله غلبه كرد.
پيوند گروه‌هاي Functional به نانولوله‌هاي كربني براي كاربردهاي پزشكي بسيار مفيدند به عنوان مثال اتصال نانولوله‌ها به يك توالي خاص DNA مي‌تواند باعث اتصال به يك پروتئين در سلول سرطاني شود و اتصال هم‌سلولي به يك بخش ديگر از همان نانولوله‌ مي‌تواند يك «پيكان راهنما» براي حمله به سلول سرطاني و نابودكردن آن باشد. نانولوله‌هاي كربني به خصوص نانولوله‌هاي چندلايه با ساختار كاملاً تعريف‌شده نانويي، مي‌توانند براي ساختن بيوسنسورها استفاده شوند.
ساخت غشاه با استفاده از نانولوله‌ها پتانسيل استفاده در سيستم‌هاي غذايي را دارد. غشاهاي بسيار باريك انشعاب‌پذير نانولوله‌اي مي‌توانند براي اهداف آناليزي به عنوان بخشي از يك سنسور براي تشخيص مولكولي آنريم‌ها، آنتي‌بادي‌ها،‌پروتئين‌هاي مختلف و DNA باشند،‌ همچنين از اين غشاءها براي جداسازي مولكول‌هاي زيستي مثل پروتئين‌ها مي‌توان استفاده كرد.
در حال حاضر انتخاب‌پذيري و بازده غشاها در صنايع غذايي و دارويي مطلوب نيست، بيشتر به خاطر كنترل محدودشده ساختار آنها و ميل تركيبي شيميايي‌شان با كاربردي‌كردن نانولوله‌ها با يك روش دلخواه، غشاهاي نانولوله‌اي مي‌توانند مولكول‌ها را براساس اندازه، شكل و ميل تركيبي‌شان از هم جدا كند. به عنوان مثال غشاهايي كه شامل نانولوله‌اي Monodisperse طلا با قطر داخلي كمتر از 1nm ، مي‌شوند مي‌توانند هم براي جداسازي مولكول‌ها و هم براي انتقال يون‌ها از محلولي كه در يك سمت غشاء قرار گرفته به محلولي كه در سمت ديگر غشاء است،‌ استفاده شوند.
با هيدروفوب‌كردن داخل نانولوله‌ها، غشاءهاي نانولوله‌اي ترجيحاً مولكول‌هاي خنثي هيدروفوب‌ را استخراج كرده و عبور مي‌دهند. در حال حاضر اين تكنولوژي براي كاربردهاي صنعتي (غذايي و دارويي) بسيار گران است اما مي‌تواند در آينده براي جداسازي مولكول‌هاي زيستي ارزشمند (مثل پروتئين‌ها،‌ پپتيدها، ويتامين‌ها يا مواد معدني) استفاده شوند. اين مواد در زمينه تهيه غذاهاي تقويتي يا مكمل‌هاي رژيمي يا داروها مي‌توانند استفاده شوند.
يك زمينه ديگر كاربرد نانولوله‌هاي كربني توسعه غشاءهاي رساناي الكتريكي است. به خاطر نسبت بالاي طول به قطر، نانولوله‌هاي كربني مي‌توانند پليمرهاي سنتزي را كه نارساناي الكتريكي هستند، به پليمرهاي رسانا تبديل كنند، اگر اين پليمرها براي توسعه غشاءهاي جديد استفاده شوند ميزان جداسازي طعم‌ها و مواد مغذي افزايش خواهد يافت.
نانولوله‌هاي پپتيدي: از ورقه‌هاي B پروتئين با تعداد مساوي آمينواسيدها L و D تشكيل شده‌اند. اين ورقه‌ها با خودساماني از طريق پيوندهاي هيدروژني، تشكيل نانولوله را مي‌دهند. در اين نانولوله‌ها تمام زنجيره‌هاي جانبي بر روي سطح خارجي قرار دارد.
خواص سطحي نانولوله و سوراخ داخلي با ترتيب آمينواسيدها تغيير مي‌كن و طول آن بستگي به تعداد Residue ها دارد.
برخي از كاربردهاي نانولوله‌هاي پپتيدي در اينجا آورده شده است:
• باوجود توسعه آنتي‌بيوتيك‌ها، همچنان مقاومت بشر در برابر باكتري‌ها كم است،‌ چون باكتري‌ها به راحتي مي‌توانند نسبت به آنتي‌بيوتيك‌ها مقاوم گردند، نانولوله‌هاي پپتيدي مي‌توانند يك نوع آنتي‌باكتري باشند. اين نانولوله‌ها به خاطر اندازه كوچكشان به راحتي وارد ديواره سلولي باكتري شده و در آنجا با تشكيل پيوند با ديواره سلولي،‌ باز مي‌شوند و اين باعث ايجاد روزنه در ديواره سلولي باكتري و درنهايت مرگ آن مي‌گردد.
• مي‌توانند حامل‌هاي مناسبي براي انتقال دارو باشند.
• موادي مثل پروتئين‌ها و ليپيد يا آنزيم با اتصال به ديواره خارجي آن،‌ از نانولوله پپتيدي يك بيوسنسور مي‌سازند.
• نانولوله‌هاي پپتيدي را مي‌توان به عنوان پايه‌اي براي ساخت بيوسراميك‌ها مورد استفاده قرار داد. بيوسراميك‌ها در ساخت استخوان يا دندان مصنوعي كاربرد بسيار دارند.
• نانولوله‌هاي پپتيدي مي‌توانند پايه‌اي براي ته‌نشست مواد معدني مثل كربنات كلسيم، اكسيد آهن، دي‌اكسيد سيليكون و هيدروكسي آپتيات باشند.
كامپوزيت‌هاي ساخته‌شده در مقياس نانو با مورفولوژي و خواص سطحي خاص يك گروه جديد از موا با خواص منحصر به فرد هستند. در ساخت اولين نانوكامپوزيت‌ها از زيست كاني‌سازي الگوبرداري كرده‌اند. زيست كاني‌سازي فرآيندي است كه يك ماده الي (پروتئين، پپتيد يا ليپيد) با يك ماده غيرآلي (مثل كربنات كلسيم) واكنش مي‌دهد و ماده با استقامت افزوده مي‌سازند.
نانوكامپوزيت‌ها جايگزين خوبي براي بطري‌هاي پلاستيكي نوشيدني‌ها هستند، استفاده از پلاستيك براي ساخت بطري باعث فساد و تغيير طعم نوشيدني مي‌شوند. نانوكامپوزيت‌ها مي‌توانند به عنوان مواد بسته‌بندي جديد استفاده شوند. يك مثال نانوكامپوزيت‌هاي تشكيل‌شده از نشاسته سيب‌زميني و كلسيم كربنات است. اين فوم مقاومت خوبي به حرارت دارد و سبك و زيست‌تخريب‌پذير است و مي‌توان براي بسته‌بندي مواد غذايي به كار رود.
نانوساختارها همچنين مي‌توانند از مواد طبيعي، خاك‌هاي كريستالي طبيعي به خصوص Montomorillouite مواد آتشفشاني و دسكي شكل نازك در مقياس نانو، منابع محبوبي براي توليد نانوخاك هستند.
اين ماده به عنوان يك ماده افزودني در توليد نانوكامپوزيت‌ استفاده مي‌شود. افزودني فقط 3-5% از اين ماده پلاستيك را سبك‌تر، قوي‌تر و مقاوم‌تر به حرارت مي‌كند و خواص ممانعت‌كنندگي بهتر دربرابر اكسيژن، دي‌اكسيد كربن، رطوبت و مواد فرار دارد. اين خواص براي بسته‌بندي مواد غذايي بسيار مفيدند و استفاده از آنها مي‌تواند زمان نگهداري مواد غذايي مثل گوشت‌هاي فرآيندي، پنير، آرد قنادي، غلات و غذاهاي كنسروشده را افزايش دهد.
فيلترها براساس اندازه منافذشان دسته‌بندي مي‌شوند و بر اين اساس به ميكروفيلترها آلترافيلترها و نانوفيلترها دسته‌بندي مي‌شوند. نانوفيلتراسيون در اصل فيلتراسيون با فشار پايين‌تر از اسمز معكوس است، بنابراين قيمت تمام‌شده نانوفيلترها و انرژي مصرفي كمتر است.
نانوفيلترها علاوه بر بازيابي عناصري مثل نمك و كلسيم از آب، قادر به بازيابي ويروس‌ها و باكتري‌ها نيز مي‌باشند بنابراين مي‌توانند در رفع، آلودگي‌هاي آب‌هاي ذخيره نوشيدني انسان‌ها و آب‌هاي كشاورزي استفاده شوند.
نانوفيلترها مي‌توانند به فيلتراسيون سريع خون كمك فراواني كنند. در حال حاضر مسموميت خوني يكي از مشكلات جدي در جهان است و خطر عفونت در واحدهايي كه نياز به مراتب شديدتري دارند بيشتر است، چون مريض‌ها آسيب‌پذيرترند. اگر مسموميت خوني اتفاق بيافتد بايد خون هرچه سريع‌تر از عامل مسموميت پاك شود.
براي تشخيص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin بايد از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسايي شود. با استفاده از نانوفيلترها مي‌توان در يك مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا كرده و عامل مسموميت را شناسايي كرد و علاوه بر اين خون را تميز كرد.
علاوه بر اين نانوفيلترها مي‌توانند در جداسازي‌هاي بيولوژيكي باكتري، ويروس، اسيدنوكلوئيك تصفيه DNA ، جذب پروتئين‌ها و اسيدنوكلوئيك‌ها، سوبسترا براي كشت Batch ، آلترافيلتراسيون محصولات آشاميدني و غذايي و استريليزه كردن سرم‌هاي پزشكي و سيالات بيولوژيكي استفاده شوند.
نانوتكنولوژي با ساخت سنسورها در ابعاد كوچك ما را قادر خواهند ساخت كه بتوانيم بسياري از پارامترها را با دقت بيشتري ارزيابي كنيم. با استفاده از مولكول‌هاي بيولوژيكي قادر خواهيم بود كه نانوسنسور بسازيم. نانوسنسورها كاربردهاي بسياري در سه حوزه مهم نانوبيوتكنولوژي (پزشكي، كشاورزي و صنايع غذايي) دارند كه شامل:
• آشكارسازي عوامل و كميت‌هاي شيميايي و بيولوژيكي
• توالي‌سنجي DNA
• در تشخيص بيماري‌ها و توليد داروها
• در آزمايش‌هاي مؤثر و سريع بر روي داروهاي جديد
• سيستم‌هاي كنترلي قابل حمل و نقل براي حفظ سلامت محصولات كشاورزي و غذايي در انبارها و حمل و نقل و انتقال
• سيستم‌هاي مجتمع نانوسنسوري براي اندازه‌گيري، گزارش‌دهي و كنترل هوشمند گياهان يا دام‌ها
• بيوسنسورهاي دقيق‌تر براي شناسايي پروتئين‌ها
• آشكارسازي سريع عوامل بيماري‌زا
مواد هوشمند، مواد واكنشي ( Reactive Material ) كه در تركيب با حسگرها و تحريك‌كننده‌ها و شايد هم كامپيوترها به شرايط و تغييرات محيطي پاسخ مناسب مي‌دهند، پليمرهاي هوشمند نمونه‌هايي از اين دسته مواد هستند. از اين پليمرها مي‌توان در ساخت مواد بسته‌بندي جديد براي محصولات غذايي استفاده كرد، اين مواد مي‌توانند به مصرف‌كننده هشدار بدهند كه غذا يا محصولات كشاورزي فاسد شده است. لوازم آرايشي جز صنايع چندميليون دلاري است كه از اين سري مواد هوشمند سود خواهند برد.
بعضي از كارشناسان مفهوم ساخت و توليد مولكولي را كه در آن اشياء اتم به اتم (يا مولكول به مولكول) ساخته مي‌شوند، را ابداع كرده‌اند. با استفاده از اين روش و بلوك‌هاي سازنده مي‌توان ماشين مولكولي را توليد كرد. ماشين‌هاي مولكولي كه از آنها با عنوان نانوروبات ياد مي‌شود مي‌توانند كاربردهاي زيادي داشته باشند.
نانوروبات‌ها قادرند اطلاعات بسياري را براي ما فراهم كنند به عنوان مثال در علوم پزشكي با استفاده از نانوروبات‌ها، قادر به انجام جراحي‌هايي خواهيم بود كه اكنون بدون اثرات نامطلوب مانند بيهوشي طولاني و اثرات جراحي بر روي بدن بيمار امكان‌پذير نيستند. اين نانوروبات‌ها همچنين قادر خواهند بود كه جريان‌هاي نامطلوب را از رگ‌هاي بدن پاك كنند و به اين ترتيب از سكته‌هاي قلبي كه بر اثر بسته‌شدن رگ‌ها ايجاد مي‌شوند، جلوگيري مي‌شود. نانوربات‌ها مي‌توانند بدون ايجاد عوارض جانبي در بدن حضور داشته باشند و با مونيتورسازي دائم وضعيت سلامت انسان علاوه بر درمان بيماري‌ها به پيشگيري نيز كمك كنند.
نانوربات‌ها مي‌توانند براي ثبت برخي پارامترهاي مهم فيزيكي يا بيولوژيكي براي محافظت مواد غذايي يا محصولات كشاورزي نيز استفاده شوند.
همچنين با استفاده از نانوربات‌ها مي‌توان سلامت محصول يا دام را به طور مرتب بررسي كرد.
• مسيرهاي بيوتكنولوژيكي نانوتكنولوژي (نانوبيوتكنولوژي) زمينه‌هاي تحقيقاتي وسيعي را هموار مي‌سازد و مي‌توانند به لحاظ هزينه كمتر تحقيقات انتخاب مناسبي براي سرمايه‌گذاري كشورهاي در حال توسعه باشد.
در حال حاضر فرصت‌هاي تجاري صنعتي و توليدي كوتاه‌مدت مورد علاقه سرمايه‌گذاران مي‌تواند مربوط به توليد نانوبيوذرات باشد، چون علاوه بر كاربردهاي وسيعي كه به بخش‌هايي از آن در اين گزارش اشاره شد، تكنولوژي توليد ساده‌تري دارند، همچنين ارزان‌ترند و در حال حاضر در بسياري از كشورها به مرحله توليد انبوه رسيده‌اند.
فرصت‌هاي ميان‌مدت مي‌تواند شامل توليد نانوبيوسنسورها، نانوفيلترها و نانومواد هوشمند باشد اما فرصت‌هاي تجاري بلندمدت يا سرمايه‌گذاري‌هاي طولاني‌مدت را بايد به نانوماشين‌ها و نانوربات‌ها اختصاص داد.
البته در كنار سرمايه‌گذاري در بخش صنعت بايد به سرمايه‌گذاري در زمينه تحقيقات نيز توجه كرد چون اولويت‌هايي كه توسط بخش R&D معين مي‌گردد مي‌تواند راهگشاي بخش صنعت باشد.
بنابراين در سرمايه‌گذاري‌هاي بلندمدت و ميان‌مدت حتماً بايد بر روي تحقيقات نانوبيوتكنولوژي نيز تأكيد شود. با گسترش آزمايشگاه‌هاي اختصاصي نانوتكنولوژي و مراكز تحقيقاتي درنهايت مي‌توان به راهكارهاي مناسب توسعه اين فناوري نوين دست يافت.
کاربرد نانو تکنولوژی در فناوری مادون ریز
در دو دهه اخیر، پیشرفتهای تکنولوﮋی وسایل و مواد با ابعاد بسیار کوچک به دست آمده است و به سوی تحولی فوق العاده که تمدن بشر را تا پایان قرن دگرگون خواهد کرد، ﭘیش می رود. برای احساس اندازه های مادون ریز، قطر موی سر انسان را که یک دهم میلیمتر است در نظر بگیرید، یک نانومتر صدهزار برابر کوچکتراست 9-10 متر. تکنولوﮋی و مهندسی در قرن پیش رو با وسایل، اندازه گیریها و تولیداتی سروکار خواهد داشت که چنین ابعاد مادون ریزی دارند. درحال حاضر ﭘروسه های در ابعاد چند مولکول قابل طراحی و کنترل است. همچنین خواص مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، نوری و ... مواد در لایه ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درک و تحلیل و سنجش است. تکنولوﮋی درقرن گذشته در هرچه ریزتر کردن دانه های بزرگتر ﭘیشرفت چشمگیری داشت، بطوریکه به مزاح گفته شد که دیگر کشف ذرات ریز اتمی ((Sub-Atomic)) نه تنها جایزه نوبل ندارد، بلکه به آن جریمه هم تعلق می گیرد! تکنولوﮋی نو در قرن حاضر مسیر عکس را طی می کند. یعنی مواد مادون ریز را باید ترکیب کرد تا دانه های بزرگتر کارآمد به وجود آورد.
درست همان روشی که در طبیعت برای تولید کردن حاکم است. مجموعه های طبیعی، ترکیبی از دانه های مادون ریز قابل تشخیص با خواص مشابه و یا متفاوت با اندازه های در حدود نانو است.
اثر تحقیقات در فناوریهای مادون ریز هم اکنون در درمان بیماریها و یا دست یافتن به مواد جدید به ظهور رسیده است. موارد بسیاری در مرحله تحقیقات کاربردی و آزمایشی است. اکنون ساخت رایانه های بسیار کوچکتر و میلیونها بار سریعتر در دستور کار شرکتهای تحقیقاتی قرار دارد.
در بیانی کوتاه نانوتکنولوﮋی یک فرایند تولید مولکولی است. همانطور که طبیعت مجموعه ها را بطور خودکار مولکول به مولکول ساخته و روی هم مونتاﮋ کرده است، ما هم باید برای تولید محصولات جدید، با این اعتقاد که هرچه در طبیعت تولید شده قابل تولید در آزمایشگاه نیز هست، نظیر طبیعت راهی پیدا کنیم. البته منظور این نیست که چند هسته از مواد را پیدا کنیم و با رساندن انرﮋی و خوراک ﭘس از چند سال یک نیروگاه از آن بسازیم که شهری را برق دهد. بلکه برای ترکیب و تکامل خودکار تولیدات مادون ریز که به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد، راهی بیابیم. در اندازه های مادون ریز، روشها و ابزارآلات متعارف فیزیکی مانند تراشیدن و خم کردن و سوراخ کردن و ... جوابگو نیستند.
برای ساختن ماشینهای ملکولی باید روش پروسه های طبیعی را دنبال کرد. با تهیه نقشه های ساختاری بدن یعنی آرایش ﮋنها و DNA که ﮋنم نامیده شده است و به موازات آن دست یافتن به تکنولوﮋی مادون ریز ، در دراز مدت تحولات بسیاری در هستی ایجاد خواهد شد. تولید مواد جدید، گیاهان، جانداران و حتی انسان متحول خواهد شد. اشکالات ساختاری موجودات در طبیعت رفع می شود و با ترکیب و خواص اورگانیک گیاهان و جانوران، موجودات جدیدی با خواص فوق العاده و شخصیتهای متفاوت بوجود خواهد آمد . آینده علوم و مهندسی که چندین گرایشی(Multi- Disciplinary) است، به طرف تولید ماشینهای مولکولی سوق داده خواهد شد تا در نهایت بتواند مجموعه های کارآیی از ﭘیوندهای ارگانیک و سایبریک را عرضه نماید .
هستی را به رایانه ( سخت افزار ) و برنامه ( نرم افزار ) که دو پدیده مختلف ولی ادغام شده هستند ، می توان تشبیه کرد. سخت افزار مصداق ماده ( اغلب اتم هیدروﮋن ) و نرم افزار یا برنامه، قابلیت نهفته در خلقت آن است. اتم به نظر ساده و ابتدایی هیدروﮋن در طی میلیاردها سال با قابلیت نهفته در خود توانسته است میلیونها نوع آرایش مختلف را در هستی بوجود آورد. بشر از بوجود آوردن اساس ماده عاجز است. ولی در برنامه ریزیهای جدید و یافتن اشکال دیگری از آنچه در طبیعت وجود دارد، پیش خواهد رفت. طبیعت را خواهد شناخت و به اصطلاح، قفلهای شگفت آور آن را باز خواهد کرد. احتمالا انسان در شرایط مناسبتری از درجه حرارت و فشار که درتشکیل طبیعی مواد مختلف از هیدروﮋن لازم است، بتواند اتمهای مورد نباز خود را تولید کند، سیارات دیگری را در نهایت در اختیار بگیرد و بعید نیست که نواده های دوردست ما بتوانند در نیمه های راه ابدیت در اکثر نقاط جهان هستی و کهکشانها سکنی گزینند.
به احتمال زیاد قبل از پایان هزاره سوم انسانها در بدن خود انواع لوازم مصنوعی و دیجیتالی راخواهند داشت ... از بیماری، پیری، درد ستون فقرات، کم حافظه ای و ... رنج نخواهند برد. قابلیت فهم و تحلیل اطلاعات در مغز آنها در مقایسه با امروز بی نهایت خواهد شد. در هزاره های آینده انسانهای طبیعی مانند امروز احتمالا برای مطالعات پژوهشی نگهداری شده و به نمونه های آزمایشگاهی و بطور حتم قابل احترام تبدیل خواهند شد و مردمان آینده از این همه درد و ناراحتی که اجداد آنها در هزاره های قبل کشیده اند، متعجب و متاثر خواهند بود.
اکنون جا دارد همگام با تحولات جدید در مهندسی و علوم، دانشگاهها و مراکز تحقیقاتی بطور جدی به پژوهشهای تکنولوﮋی مادون ریز مشغول شوند تا حداقل ما هم بتوانیم مرزهای دانش روز را به نسلهای آینده تحویل دهیم و در تشکلهای جدید هستی سهمی داشته باشیم. باشد هرچه زودتر به خود آییم و عمق شکوهمند و معجزه آسای اندیشه بشررا دریابیم و از کوتاه بینی و افکار فرسوده موروثی فاصله بگیریم.
کاربرد نانوساختارهاي کربني در ساخت ادوات گسيل الکتروني
در اين مقاله گذري به پيشرفت‌هاي حاصل‌شده در آزمايشگاه لايه نازک دانشگاه تهران، که منجر به توليد نانولوله‌هاي کربني و نانوساختارهاي کربني گرديده است شده است. با استفاده از قابليت‌هاي زيادي که در اين نانوساختارها موجود مي‌باشد، امکان استفاده از آنها در ليتوگرافي در مقياس نانومتري و در جهت ساخت ترانزيستورهاي MOSFET زير 100 نانومتر مورد بررسي قرار گرفته است. در ادامه اين روند تحقيقاتي امکان بهبود اين نانوساختارها در تحقق کريستال‌هاي فوتوني و نمايشگرهاي با دقت بالا بررسي خواهند شد.
نانوساختارهای کربنی از رشد قابل ملاحظه‌ای در سال‌های اخير برخوردار بوده‌اند. همگام با ساير کشورها در ايران نيز تحقيقات در زمينه نانوساختارهای کربنی از رشد فزاينده‌ای برخوردار می‌باشد. در آزمايشگاه تحقيقاتی لايه نازک دانشگاه تهران در زمينه ساخت نانولوله‌های کربنی و کاربرد آنها در ساخت ادوات گسيل الکترونی، پژوهش مستمری در چند سال گذشته انجام شده است که قسمتی از آن به صورت مقاله زير ارائه می‌شود.
آزمايش‌ برروی نانولوله‌های کربنی با استفاده از رشد آنها بر روی بسترهای سيليکونی و با تکنيک بخار شيميايي انجام می‌گيرد. در اين روش که به صورت شماتيک در شکل (1) به نمايش گذارده شده است گازهای حاوی کربن (خصوصا استيلن) مورد استفاده قرار مي‌گيرند که در رآکتوری از جنس کوارتز و در حضور پلاسمای سرد، به صورت راديکال‌های مناسب در آمده و برروی هسته‌بندی مناسبی از عنصر کاتاليستی مانند نيکل و يا کبالت لايه‌نشانی می‌گرند. در صورتی که شرايط محيطی مانند دما و فشار گاز و نيز ميزان کاتاليست و دانه‌بندی اوليه آن مناسب باشند، رشد نانوساختارها به صورت عمودی و با خلوص و پراکندگی مناسب انجام می‌گيرد. علاوه بر گاز استيلن که عامل لايه‌نشانی کربن می‌باشد گاز هيدروژن نيز از اهميت بالايی برخوردار می‌باشد و در تعيين هسته‌بندی اوليه لايه کاتاليزور و نيز اصلاح رشد نانولوله‌ها نقش تعيين‌کننده‌ای را بازی می‌کند.
در شکل‌های (2) و (3) تصاويری با ميکروسکوپ الکترونی مربوط به برخی نمونه‌ها ارائه شده است که نمايش‌دهنده اثر شرايط رشد برروی کيفيت نانوساختارها می‌باشد.

شکل (2) نمايشی از رشد بدون حضور پلاسمای سرد (شکل راست) و رشد متراکم نانولوله‌های کربنی در حضور پلاسمای سرد (سمت چپ). بدون پلاسما يک رشد کاملاً نامنظم حاصل می‌شود.
شکل (2) نشان‌دهنده رشد بدون نظم مشخص می‌باشد که بدون حضور پلاسما و صرفاً در شرايط گرمايشی حاصل شده است. لازم به ذکر است که دمای رشد نانوساختارهای کربنی با استفاده از پلاسمای سرد بين 550 و 650 درجه سانتيگراد می‌باشد که معمولا بدون حضور پلاسما منجر به رشد کاملاً نامنظم می‌گردد.

شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی از هسته‌های نيکلی به صورت عمودی. در شکل سمت راست رشد متراکمی از نانوساختارهای کربنی به صورت عمودی مشاهده می‌گردد. دانه‌بندی اوليه عنصر کاتاليزور (نيکل) اهميت بالايی در اين رشد همگون دارد.
در شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی به صورت تقريباً عمودی و حجيم ديده می‌شود که در حضور پلاسما و با چگال توانی در حدود mW/cm2 10 حاصل شده است. در بسياری از موارد نياز به چنين رشد متراکمی داريم که از موارد مهم آن نمايشگرهای گسيل الکترونی از نوک‌های تيز نانولوله‌های کربنی می‌باشد. اين‌گونه ساختارها با توجه به شکل بسيار تيز خود امکان خروج الکترون با اعمال ولتاژهای پايين را مهيا می‌سازند. گسيل الکترونی از نوک لوله‌ها در اثر اعمال ولتاژ به آنها کاربردهای متعدد ديگری از جمله در ساخت اشعه‌های الکترونی متمرکز[ 1و2 ]و فرآيند ليتوگرافي دارد.
نانوساختارهای گسيل الکترون
پس از رشددادن نانولوله‌ها، با استفاده از روش انباشت بخار شيميايي (CVD)، اکسيد تيتانيوم را به صورت بخار شيميايی و در فشار اتمسفری بر روي آنها لايه‌نشاني مي‌کنيم. اين مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهميت بالايی برخوردار می‌باشد. اين مرحله در همپوشاني نانوساختارها از اهميت بالايي برخوردار مي‌باشد. چرا كه به نانوساختارهاي نيمه‌توخالی و به صورت لوله‌ای امكان تحقق مي‌دهد. سپس با استفاده از روش لايه‌نشاني با تبخير به کمک باريکة الکتروني، لايه‌اي به ضخامت 1 ميکرومتر از فلز کروم روي آن مي‌نشانيم. اين لايه نشانی برای ايجاد گيت‌های کنترل‌کننده برای ترانزيستورها و نيز بعنوان لنزهای الکتروستاتيکی در حالت ليتوگرافی مورد استفاده قرار می‌گيرد.
براي آشکار شدن نوک نانولوله‌ها، از روش زدايش مکانيکي_شيميايی استفاده مي‌کنيم. در مرحلة بعدي با استفاده از تکنيک plasma-ashing نوک نانولوله‌ها را باز مي‌کنيم. استفاده از گاز حاوی اکسيژن در اين مرحله نقش اساسی دارد، چرا که بدون صدمه‌زدن به ساختارهای محافظت‌کننده، فقط نانوساختارهای کربنی را بسوزاند تا به‌تدريج از ارتفاع نانولوله‌ها کاسته شده، به شکل مناسب دست يابيم.
شکل 4 نحوة عملکرد و شمای اين ساختار را نشان مي‌دهد. بدين ترتيب نانولوله‌ها براي گسيل الکتروني آماده مي‌شوند. با اعمال ولتاژ مناسب بين نانوساختارهای کربنی از يک طرف و صفحه مقابل که نقش‌ آند را بازی می‌کند از طرف ديگر، جريان الکترون‌ها آشکار شده و ميزان اين جريان به وسيله ولتاژ بر روی گيت کاهش می‌يابد. قسمت ديگر شکل 4، تصوير ميکروسکوپ الکتروني از ساختار کامل شده نانولوله‌ها را نشان مي‌دهد. با توجه به انجام مرحله پوليش مکانيکی – پلاسمايی، برخی از نانولوله‌ها که از شرايط مناسبی از نظر ارتفاع و قطر برخوردار نيستند عملا در ارسال جريان الکتريکی نقشی ندارند.

شکل (4) نماي شماتيک يک نانوساختار کربنی و استفاده آن در ساخت ساتع کننده الکترونی. توضيح بيشتر در متن آورده شده است. در تصوير مقابل نمايشی از تصوير ميکروسکوپ الکترونی مربوط به مجموعه‌ای از اين ساتع کننده‌های الکترونی مشاهده می گردد.
صفحه آند که معمولاً از جنس ويفر سيليکوني می‌باشد در فاصله مناسب از بستر توليدکننده الکترون قرار می‌گيرد. در شکل‌های زير رفتار الکتريکی مجموعه‌ای از نانوساختارهای کربنی به نمايش گذارده شده است که حاکی از عملکرد مناسب اين مجموعه می‌باشد.
ساختارهای نانومتری که در اين مقطع محقق شده‌اند قابليت انجام ليتوگرافی در ابعاد نانومتری را نيز دارند. در شکل‌های زير برخی از نتايج اين تحقيق آورده شده است که حاکی از موفقيت اين تکنيک در شکل‌دهی با ابعاد بسيار کوچک می‌باشد. برای اين منظور بستر حاوی نانولوله‌ها را در فاصله‌ 100 ميکرومتري از لايه حساسي که روي بستر سيليکون نشانده شده است، قرار مي‌دهيم. سپس بعد از اعمال ولتاژي حدود 100-80 ولت بين صفحه بالايي و پشت بستر نانولوله‌ها، آنها را نسبت به هم به حرکت در مي‌آوريم. اتصال ديگري بر روي فلز

شکل (5) نمايش رفتار الکترونيکی نانوساختارهای کربنی با پوشش دولايه از جنس اکسيد تيتانيوم و فلز. شکل چپ نشان‌دهنده جريان آشکار شده در طرف آند با توجه به ولتاژهای آند-کاتد. شکل راست نشان‌دهنده جريان آشکار شده در آند و کنترل آن توسط گيت ترانزيستور می‌باشد.

شکل (6) :تاثير پرتو الکتروني گسيل شده روي ماده‌ي حساس پليمري به همراه حرکت خطي که توسط سيستم مکانيکي ايجاد شده است.
کاربرد‌هاي ابتکاري تا بازاريابي ميـکرو و نـانـوسـيـسـتـم‌هـا
امروزه هر فردي که در زمينه علوم خرد (در مقياس کوچک) فعاليت مي‌کند مي‌داند که دو شيوه براي طراحي ميکرو و نانوسيستم‌ها وجود دارد: يکي از بالا به پايين و ديگري از پايين به بالا. هر دو روش در آغاز براي ميکروالکترونيک‌ ايجاد شدند، ولي طي دوسال اخير عبارت فناوري نانوي زيستي متداول و رايج شده است.
هر دو شيوة طراحي اشيا براي فناوري‌هاي‌ نانوي زيستي هدف يکساني دارند که عبارتست از: نزديک شدن به مقياس عملي کوچک‌تر يعني مقياس نانو در علوم حياتي . با استفاده از اين دو مدل که تمام مقياس‌هاي بين اندازه 1 نانومتر و 1 ميکرومتر مي‌توانند توسط آنها پيمايش و بررسي گردد، جامعة علمي قادر مي‌شود تا بر روي رشد و توسعة فناوري‌هاي مبتني بر اين مقياس‌ها تمرکز کند.
به واسطة روش‌هاي بالا به پايين و پايين به بالا، ابزارهاي متفاوتي براي استفاده در بازارهاي علوم حياتي ايجاد شده‌اند. (شکل 1)
با ابزارهاي عمده‌اي که با روش بالا به پايين ساخته مي‌شود مانند ميکروتراشه‌هاي DNA و آزمايشگاه‌هاي روي تراشه، دسترسي به دقتي در حدود ده‌ها نانومتر امکان‌پذير شده است. به وسيلة ابزارهاي عمده‌اي که با روش پايين به بالا ساخته شده‌اند مانند نانوبلورها، نانوکره‌ها و نانوساختارها مي‌توان از يک نانومتر شروع کرده و به مقياس ميکرومتر رسيد. در نتيجه اين دو روش بازارهاي متفاوتي دارند.
بازار ميکروتراشه DNA
ميکرو تراشه‌هاي DNA با پروپ‌هاي DNA پوشانده مي‌شوند و براي آشکار ساختن سطح هيبريداسيون DNA هاي استخراج شده، به کار مي‌روند. امروزه معمولاً رايج است که آشکارسازي با استفاده از نشان‌گذاري زيستي فلورسنت انجام شود. ميکروتراشه DNA نمي‌تواند به تنهايي به کار گرفته شود، لذا بايستي به يک پايه شامل اتاق هيبريداسيون، يک پيمايشگر و نرم افزار خاص متصل گردد تا پروفايل‌هاي حالت ژني را تجزيه و تحليل کند.
استفاده از ميکروتراشه‌هاي DNA امروزه عمدتاً حول دو کاربرد عمده و با ارزش افزوده بالا، يعني کشف دارو و مواد شيميايي گياهي تمرکز يافته است. فايدة اصلي ميکروتراشه‌هاي DNA در اين زمينه‌ها عبارتست از کشف ژن‌ها يا پروتئين‌هاي جديدي که اهداف بالقوه براي ترکيبات فعال مي‌باشند. در طي 15 سال گذشته اين بازار به تدريج به بالندگي رسيده است و امروزه بازيگران شــناختـه شـده‌اي در آن حـضور دارنـد که عمـدتـاً تهيه‌کنندگان تجهيزات هستند ولي در بين آنها تعدادي شرکت‌هاي انفورماتيک زيستي و فناوري زيستي به‌چشم مي‌خورد.
بـراي مـثــال شـرکت آفي متريکس(Affymetrix) بر روي توسعه و بازاريابي ميکروتراشه‌ها و تجهيزات مخصوص ژنتيک تمرکز يافته است. اين شرکت 60 درصد کل بازار تراشة DNA را تحت کنترل دارد که در حدود 750 ميليون دلار آمريکا در سال 2002 تخمين زده شده است.
بازار ميکروتراشة DNA پس از سال 1999 با رشد فزاينده 30 تا 50 درصدي مواجه بوده و اين روند تاکنون نيز حفظ شده است. البته توليدکنندگان تجهيزات بايستي به فعاليت‌هاي خود تنوع ببخشند تا ميزان عرضه و سهم بازار خود را توسعه دهند. اين فقط زماني امکان‌پذير خواهد شد که شرکت‌ها بتوانند به بازارهايي با ارزش افزوده بيشتر مانند صنايع تشخيص طبي، کنترل غذايي يا توسعة باليني دست پيدا کنند. فناوري امروزي در عين تمرکز بسيار بر روي حالت ژني، خيلي گران قيمت نيز هست. نوآوري در دستيابي به اين بازارهاي جديد مستلزم بهبود و بهسازي تراشه‌هاي DNA رايج در بازار، بهينه‌سازي سيستم‌هاي فعلي و طراحي ابزار جديد است که همگي نقش مهمي را ايفا مي‌کنند. خوشبختانه بيشتر نوآوري مورد نياز، توسط شرکت‌هاي فناوري‌نانوي ‌زيستي و نيز تحقيقات دانشگاهي فراهم مي‌گردد. هر دوي آنها قالب‌هاي جديدي را به وجود مي‌آورند که شامل انواع تراشه‌ها و زمينه‌هاي استفاده از آنها مي‌باشند. هم‌چنين هر دو بر روي فناوري‌هاي آزمايشگاه‌هاي روي تراشه متمرکز شده‌اند.

بازار آزمايشگاه روي تراشه
آزمايشگاه روي تراشه نوعي فناوري است که براي طراحي ابزارهاي خاص استفاده نمي‌شود، بلکه موضوعي مبتني بر تجزيه و تحليل‌هاي چند پارامتري و تراشه‌اي مي‌باشد که صرفاًً براي آشکار سازي حالت ژني ايجاد نشده است. طراحي فرآيندهاي تحليلي در سطح مولکولي باعث کاهش هزينه‌ها شده و سرعت تجزيه و تحليل را بالا مي‌برد. امروزه ابزارهاي تجاري محدودي جهت کاربرد در آزمايشگاه‌هاي روي تراشه به کار مي‌روند که اکثر آنها توسط شرکت‌هاي فناوري ‌زيستي مستقر در آمريکا توليد شده‌اند. شرکت فناوري‌هاي آگيلنت (Agilent) و شرکت کاليپر (Caliper) براي ساخت اولين ابزار آزمايشگاه بر روي تراشه همکاري کرده‌اند. اين محصول مي‌تواند پروتئين‌ها، RNA و DNA را تفکيک کرده و تعداد آنها را معين سازد. هم‌چنين از آن مي‌توان براي طراحي آزمايش‌هاي سلولي استفاده کرد. شرکت‌ سفيد(Cepheid) مستقر در آمريکا، کارتريج‌هاي سيالاتي را توليد مي‌کند که مي‌تواند استخراج و مرتب سازي DNA را انجام دهد محصولي که در آينده‌اي نزديک آماده خواهد شد.
آينده فناوري آزمايشگاه روي تراشه متکي است به پيشرفت‌هايي که توسط صنعت ايجاد شده و نيز تجزيه و تحليل‌ها و قالب‌بندي‌هايي که در دانشگاه صورت مي‌گيرد. شرکت CEA در گرنوبل فرانسه در حال ساخت يک آزمايشگاه روي تراشه مبتني بر دي الکتروفورسيس براي دستکاري هزاران سلول زنده مي‌باشد. ديگر آزمايشگاه دانشگاهي، آزمايشگاه علوم الکترونيک‌ طبي دانشگاه فني مونيخ است که مشغول ساخت تراشه حسگر چند پارامتري براي کاربردهاي تصويربرداري و آزمايش ميزان حساسيت شيميايي تومور مي‌باشد. البته قبل از آن که ابزارهاي آزمايشگاه روي تراشه در زمينه‌هاي مختلف به کار گرفته شوند بايد موانع موجود از سر راه کنار رود موانعي همچون طراحي ابزارهايي با کاربرد آسان، مجتمع‌سازي فناوري‌هاي آزمايشگاه روي تراشه به‌صورت يک سيستم و کنترل مشکلات ميکرو مايعات.
بازار نانوبلورها
نانوبلور، بلوري است در اندازه چند نانومتر که خواص الکترو فيزيکي ويژه‌اي دارد. نوع مهم نانوبلور که تاکنون ايجاد شده است نانوبلور نيمه‌هادي فلورسنت مي‌باشد (مانند نقاط کوانتومي با نام تجاري QdotTM محصول شرکت QuantumDotCorp ( . اين بلور‌ها خيلي پايدار بوده و نسبت به فلوئورفورها حساسيت بالاتري دارند و مي‌توانند براي نشان دادن هدف‌هاي خاص استفاده شوند (آنها مي‌توانند به پادتن‌هاي ويژه‌اي چسبانده شوند).
اين خواص جالب بايد به آنها اجازه دهد که فلوئورفورهاي کلاسيک را عوض کنند. خاصيت مهم ديگر تفاوت زياد بين نانوبلور‌هاست که به وسيله تک اشعه ليزر مشخص مي‌شوند. اختلاف بين نانوبلورها به اندازه بلور وابسته است. بنابراين بازار مورد نظر براي نانوبلور‌ها در کوتاه‌مدت به وجود مي‌آيد.
در حال حاضر، تمرکز عمده پژوهش بر توليد نانوبلور‌هاي محلول در آب مي‌باشد که در بسياري از موارد به عنوان معرف در نشان‌گذاري زيستي استفاده مي‌شود. امروزه شرکت‌هاي فناوري زيستي، رشد قابل ملاحظه‌اي کرده به طوري که بازار جديد برخي نانوبلور‌ها مانند پروب‌هاي نانوذره‌اي ساخت شرکت nanosphere نيز مهياست.
به نظر مي‌رسد كه در آينده نشان‌گذاري زيستي در مقياس صنعتي به شدت اهميت پيدا کند. ولي اگر نانوبلور کاربردهايي در ديگر زمينه‌هاي مهم مانند تصويربرداري پزشکي (به عنوان عوامل تشخيص‌دهنده و نشانگرهاي خاص)، دارورساني (به عنوان حامل‌هاي درون سلولي) و درمانگرها (به عنوان معالجه‌هاي سلولي) داشته باشد، ضروري است که با محيط زيست سازگاري داشته باشد.
بازار نانوکره‌ها
محصولاتي که هم اکنون در مقياس نانومتر در حال توسعه مي‌باشند، نانوکره‌هاي مبتني بر تعاملات آبگريز- آب دوست مي‌باشند. سيستم‌هاي مختلفي براي ساخت نانو کره‌ها استفاده مي‌شود ولي سه تا از مهم‌ترين آنها عبارتند از : کد پليمرهاي توده‌اي، درخت‌سان‌ها ونانوامولسيون‌ها.
پتانسيل نانوکره‌ها به عنوان سيستم‌هاي جديد دارورساني (DDSs) مهم است چون ساختار آنها اجازه مي‌دهد تا بتوانند ترکيبات دارويي را به صورت کپسول درآورده و از آنها در برابر عوامل بيروني محافظت کنند. هر سه سيستم طراحي نانوکره‌ها، ويژگي‌هاي جالبي مانند DDS ها دارند. آنها نيمه عمر ترکيبات فعال را در بدن، از طريق آزاد سازي مداوم افزايش مي‌دهند و اندازه کوچکشان به آنها اين اجازه را مي‌دهد تا به راحتي بتوانند از مويرگ‌هاي نازک به خصوص در درون تومورها، عبور کنند. امروزه بعضي محصولات مانند NanoCapTM و MedicelleTM که هر دو را يک شرکت ژاپني به بازار عرضه كرده است به صورت يک محصول تجاري در آمده‌اند.
در آينده نزديک روش‌هاي جديد، نانوکره‌ها را قادر مي‌سازد تا مخصوص يک سلول يا يک گيرنده عمل کنند (البته اگر به پادتن‌ها متصل ‌شوند.) همچنين اين روش‌ها با دارورساني براي يک هدف خاص بهبود چشمگيري در کارآيي روش‌هاي درماني به وجود مي‌آورند. به علت قابليت دسترسي مناسب ترکيبات فعال دارويي، نانوکره‌ها به شدت مورد درخواست شرکت‌هاي بزرگ دارويي قرار گرفته‌اند. استفاده از نانوکره‌ها همچنين مسيري را پيش‌پاي آنها مي‌گذارد تا بتوانند اختراع‌هايشان را بر روي مولکول‌هاي آنها تکرار کنند. زيرا، پيش از اين همة شرکت‌هاي عمده داروسازي، با توجه به روش‌هايي از DSS هاي نانوکره‌اي، اختراعاتي داشته‌اند.
بازار نانوساختارها
امروزه ساختارهاي بزرگ چندين هزار نانومتري به طور وسيعي مورد توجه محققان قرار گرفته‌اند. نانوساختارها گروهي از مولکول‌ها هستند که به وسيله خود مولکول‌ها و يا مونتاژ مکانيکي ايجاد مي‌شوند.
اين نانوساختارها در ابتدا براي صنايع تشخيصي و دارويي از طريق پيشرفت در فناوري‌هاي آزمايشگاه روي تراشه به کار گرفته مي‌شدند. پژوهش‌هاي انجام گرفته قصد دارد حساسيت روش‌هاي آشکار‌سازي را افزايش داده و همچنين پايه و راه‌هاي جديدي براي طراحي آرايه‌ها را به وجود آورد. براي چنين کاري دانشمندان حسگرهاي زيستي و پوشش‌هاي زيست تقليدي (biomimetic) جديدي را طراحي کرده‌اند. شرکت‌هاي فعال در اين عرصه انواع محصولات را در اين زمينه به وجود آورده‌اند. شرکت Nanosys نانوحسگرها را به وجود مي‌آورد، در حالي که شرکت Bioforces Nanosciences در حال ايجاد نانوآرايه‌هاست. مزيت عمده چنين نانوساختارهايي اين است که موجب کاهش اندازة کلي سيستم تجزيه و تحليل شده، سرعت پردازش اطلاعات را افزايش داده و امکان انجام همزمان چندين آناليز را فراهم مي‌کند. اين فناوري‌ها فقط بر روي حالت ژني متمرکز نمي‌شوند بلکه مي‌توانند بر روي فعل و انفعالات سلولي و مولکولي نيز به کار گرفته شوند.
پيشرفت‌هاي بعدي در نانوساختارها دانشمندان را قادر خواهد ساخت که به مهندسي بافت و بازارهاي دارورساني دست پيدا کنند. طراحي ماتريس‌ها و مقلدهاي زيستي (biomimetic) براي کمک به بازسازي اندام و افزايش تحمل بدن نسبت به اندام‌هاي کاشتني به کار مي‌روند. دانشمندان مطمئن هستند که روزي خواهند توانست در ساية فناوري‌هاي‌نانوي زيستي بافت را احيا کنند. در زمينه دارورساني، نانوساختارها براي طراحي داروخانه‌هاي روي تراشه(Pharmacy - on - Chip) به کار گرفته مي‌شوند. به عنوان مثال، تراشه‌ها را مي‌توان در بدن يک فرد ديابتي جاسازي کرد تا با احساس کمبود انسولين در بدن وي، تراشه‌ها به طور مستقيم و بلافاصله انسولين را به دستگاه گردش خون تزريق ‌کنند. در آينده ابزارهايي جهت دارورساني به وجود خواهند آمد مانند نانوربات‌ها که در بدن گشت مي‌زنند تا سلول‌هاي سرطاني، جراحات و لخته‌هاي خوني و.... را يافته و آنگاه داروي مربوطه را که به صورت نانوکره‌هاي کپسولي است را به بدن تحويل دهند. نانوربات‌ها مفهومي است که هنوز با استفاده تجاري فاصله دارد. اين مفهوم حداقل در حال حاضر به صورت يک افسانه و تخيل علمي تصور مي‌شود.
آينده چه مي‌شود؟
نانوسيستم‌ها کاربرد وسيعي در زمينة علوم حياتي دارند. با محصولاتي که تاکنون توليد شده و با پيشرفت‌هايي که منجر به توليد ابزارهاي جديد شده مي‌توان کاربرد آنها را بيشتر احساس کرد. (شکل 2)
آشکار است که به وجود آمدن بازار، خود امري جديد و بسيار اميدوار کننده است. امروزه وقت آن رسيده است که آزمايشگاه‌هاي دانشگاهي امر تحقيقات را به مرحلة همکاري صنعتي پيوند دهند. اين بهترين و سريع‌ترين شيوة انتقال نوآوري از آزمايشگاه به بازار است.
نتيجه‌گيري
در بازار امروز ميکروتراشة DNA، ابدعات و اکتشافات، نقش مهمي در کمک به توليدکنندگان تجهيزات، جهت دستيابي به بازارهاي جديد و نيز کاربردهايي در رشد باليني و تشخيص‌هاي طبي ايفا مي‌کنند.
امروزه بايد ابزارهايي براي ادامه رشد نيرومند بازار طراحي گردد. نوآوري‌اي که در اين بازار مورد نياز است به وسيله شرکت‌هاي فناوري زيستي، آزمايشگاه‌هاي علمي که بر روي قالب‌هاي جديد تراشة DNA فعاليت مي‌کنند، فناوري‌هاي آزمايشگاه روي تراشه و نيز موضوعات جديد در فناوري‌نانوي زيستي فراهم مي‌گردد. با متداول شدن فناوري‌نانوي زيستي، شاهد به وجود آمدن نانواشيا هستيم البته پتانسيل بازار نانواشيا زياد بوده و کاربردهايي در زمينه‌هاي عمده‌اي مانند نشان‌گذاري زيستي، دارورساني و معالجات دارند (شکل2).
اين قبيل فوايد مهم، برنامه‌هاي سرمايه‌گذاري کلان صنعتي بر روي ميکرو و نانوسيستم‌ها را در علوم حياتي باعث شده است. البته قبل از آشکار شدن فوايد اين روش‌ها شرکت‌هاي فناوري زيستي احتياج دارند که با تهيه‌کنندگان تجهيزات و آزمايشگاه‌هاي دانشگاهي که پژوهش‌هاي بنيادي انجام مي‌دهند همكاري داشته باشند.
اين همکاري‌ها در قالب شيوه‌هاي مختلف مي‌تواند سازماندهي شود مانند شرکت‌هاي تحقيق و توسعه، فرصت‌هاي اعطاي مجوز استفاده (ليسانس) داخلي يا خارجي، توزيع سهام دانشگاهي به منظور ارائه پيشرفت‌هاي علمي.
آشنايي با شركت ALCIMED:
ALCIMED (به نشاني اينترنتي: www.alcimed.com) يک شرکت مشاورة اروپايي است که در زمينة علوم حيات و شيمي تخصص دارد. اين شرکت پيشرفت‌هاي فناوري و علمي را در قالب موقعيت‌يابي راهبردي، نوآوري‌هاي بازاريابي و يافته‌هاي مالي ارائه مي‌دهد. از اوايل سال 1993 که اين شرکت در زمينه فناوري‌هاي زيستي صاحب تخصص شد، به تدريج زمينه فعاليت خود را بر پايه علوم حياتي و خيلي از زمينه‌‌هاي کاربردي مانند سلامتي، غذا، لوازم آرايشي، محيط زيست و مواد شيميايي قرار داده است. اعضاي اين شرکت از 51 شيميدان، مهندس و زيست‌شناس تشکيل شده که در هر دو جنبه علمي و اقتصادي داراي سابقه فعاليت هستند. اين شرکت مأموريت‌هاي فوق‌العاده متنوعي در ارتباط با مباحث بازرگاني و علمي دارد که عبارتند از: مطالعات بازاري، تجزيه و تحليل‌هاي راهبردي، طرح‌هاي بازرگاني، ارتقاء توليد و توسعه بازرگاني.
جداسازی مولکولها از یکدیگر
جداسازي مبتني بر الک کردن مولکولي را مي‌توان بر روي اجسام بي‌بار در جريان مهاجرت الکتروني ازداخل ژل‌ها انجام داد. اين کار اساس جداسازي‌هايي که مبتني بر اندازه‌هاي مولکول‌ها نسبت به هم است، را تشکيل مي‌دهد و از اصطلاح صاف کردن به وسيله ژل استفاده مي‌شود.
سير تحولي رشد :
در سال 1954 وسيچ نشان داد که جداسازي‌هاي مبتني بر الک کردن مولکولي را مي‌توان بر روي اجسام بي بار در داخل ژل‌ها انجام داد. در سال 1959 پورات و فلودين اصل معيني را ارائه دادند و از اصطلاح صاف کردن بوسيله ژل براي شرح روش خودشان استفاده کردند. ولي دترمان در سال 1964 پيشنهاد کرد که کروماتوگرافي ژلي را به عنوان اسمي براي اين شيوه استفاده شود.
نکات قابل توجه اين روش :
در کروماتوگرافي ژلي، فاز ساکن از يک قالب متخلخل تشکيل شده که منفذهاي آن به وسيله حلالي که به عنوان فاز متحرک به کار مي‌رود، کاملا پر شده است. اندازه سوراخ بسيار مهم است چون اساس جدايي بر اين است که مولکول‌هاي بزرگتر از يک اندازه معين اصلا وارد سوراخ‌ها نشوند و تمام يا قسمتي از سوراخ‌ها براي ورود مولکول‌هاي کوچک تر آماده است. جريان فاز متحرک موجب مي‌شود که مولکول‌هاي بزرگتر بدون بر خورد با مانعي و بدون نفوذ در قالب ژل از ستون عبور کنند، در حالي که مولکول‌هاي کوچک‌تر بر حسب شدت نفوذ در ژل در ستون نگه داشته مي‌شوند.

خروج اجزای مخلوط :
بدين ترتيب اجزاي مخلوط به ترتيب جرم مولکولي از ستون خارج مي‌شوند يعني ابتدا بزرگترين مولکول خارج مي‌شود. ترکيباتي که اصلا وارد ژل نمي‌شوند و نیز مولکول‌هاي کوچکي که کاملا در ژل نفوذ مي‌کنند از يکديگر جدا نمي‌شوند. مولکول‌هاي با اندازه متوسط بر حسب درجه نفوذ آنها در قالب نگه داشته مي‌شوند. اگر مواد ترکيب مشابه داشته باشند، به ترتيب جرم مولکولي نسبي از ستون شسته مي‌شوند.
ماهیت ژل کروماتوگرافي :
ژل بايد تا حد امکان از نظر شيميايي بي اثر و از نظر مکانيکي تا حد امکان پايدار باشد. مواد ژلي به صورت دانه تهيه مي‌شوند و لازم است اندازه ذرات نسبتا يکنواخت باشد و تخلخل يکنواختي داشته باشد.
حجم نمونه مهم است، هر قدر حجم نمونه کمتر باشد کاهش غلظت هر جز در محلول خارج شده بيشتر خواهد بود. اين اثر رقيق شدن بايد در تصميم گيري در مورد اندازه‌ ستون¬ها و نمونه مورد توجه قرار گيرد.
با اينکه اين روش بيشتر براي جداسازي‌هايي در مقياس کوچک، در کارهاي تحقيقاتي و تجزيه‌اي روزمره بکار مي‌رود ولي کاربردهايي نيز در مقياس بالاتر و در توليدات صنعتي دارد.
کروماتوگرافي ژلي ابتدا براي جداسازي مولکول‌هاي بزرگي که منشا زيستي دارند مانند پروتئين‌ها، پلي‌ساکاريدها، اسيد نوکلوئيک، آنزيم‌ها بکار رفت و هنوز هم بيشترين کاربرد اين روش در همين زمينه‌هاست .
نمک‌زدايي از محلول‌ها براي مثال از پروتئين‌ها، يکي از کاربردهاي مهم محيط‌هاي ژلي است
اطلاعات اولیه
کروماتوگرافی تبادل یونی در ستون‌ها، بطور انحصاری در کاربرد رزین‌‌های تبادل یونی محدود می‌‌شود زیرا این مواد به طور عمده خواص مطلوبی، مانند پایداری مکانیکی و شیمیایی و یکنواختی اندازه دانه‌‌ها(ذرات) دارند، پودر سلولز که در آن گرده‌‌های تبادل یونی به طریق شیمیایی قرار داده شده باشند نیز برای جداسازی در ستون‌‌ها به کار می‌‌رود.
ورقه‌‌های سلولز پر شده با رزین‌‌های تبادل یونی را در روش کروماتوگرافی کاغذی برای جداسازی‌‌هایی که شامل تبادل یونی هستند، مورد استفاده قرار داد.
توصیف
در کروماتوگرافی تبادل یونی جداسازی از نوع تبادل یونی که در آنها رزین به جای جاذب در کروماتوگرافی جذبی قرار می‌‌گیرد، است. مقادیر زیادی از رزین‌‌های تبادل یونی برای جدا کردن کامل یون‌‌ها از محلول در آزمایشگاه و نیز در مقیاس صنعتی به کار می‌‌روند.

در اینجا بارهای مثبت به سبب اینکه از سوی رزین کاتیونی دفع می شوند،
سریع تر از ستون عبور نموده و خارج می شوند و بارهای منفی
که توسط رزین جذب شده اند، در نتیجه ی عمل شستشو جداشده
و دیرتر از ستون خارج می شوند.
رزین‌‌‌های متداول تبادل یونی
رزین‌‌‌های متداول تبادل یونی که به طور مصنوعی ساخته می‌‌‌شوند، بر پایه قالب غیر محلولی از یک بسپار بزرگ مانند پلی استیرن ، استوار هستند.
با بسپار کردن استیرن در حضور مقدار کمی از دی وینیل بنزن ساخته می‌‌‌شوند. دی وینیل بنزن میزان اتصالات عرضی را که عامل مهمی در کروماتوگرافی است کنترل می‌‌‌کند.
واحد تشکیل دهنده ی بسپار، تک پار می باشد. اگر این واحدهای تشکیل دهنده به صورت پشت سر هم قرار گیرند به طوریکه تشکیل زنجیردهند، بسپار خطی خواهیم داشت . مثل این:

در صورتیکه اگر واحد تک پار، موجب اتصال دو زنجیر به صورت عرضی به یکدیگر شود بسپار شبکه ای یا بسپار با اتصالات عرضی خواهیم داشت .

اتصالات عرضی بسپار را به حالت نا محلول در می‌‌‌آورد. اگر میزان اتصالات عرضی خیلی کم باشد رزین مستعد جذب مایع اضافی می‌‌‌شود و در نتیجه آماس زیادی می‌‌‌کند، در حالی که اتصالات عرضی زیاده از حد، ظرفیت تبادل رزین را احتمالا به علت ممانعت فضایی کم می‌‌‌کند.
گرده‌‌‌های قطبی که باعث خواص تبادل یون در رزین می‌‌‌شوند بعد از عمل بسپار شدن به رزین اضافه می‌‌‌شوند. با بسپار شدن می‌‌‌توان دانه‌‌‌هایی با اندازه‌‌‌های معین تهیه کرد و در اين صورت است كه رزين‌‌‌ها براي عمل يون زدايي و اهداف كروماتوگرافي به كار مي‌‌‌روند. بعضي از رزين‌‌‌ها را به شكل ورقه مي‌‌‌سازند كه در اين صورت غشاهاي تبادل يوني به دست مي‌‌‌آيند. اين غشاها به اين صورت كاربردي در كروماتوگرافي ندارند ولي مي‌‌‌توان از آنها براي نمك‌‌‌زدايي محلول‌‌‌ها، كه ممكن است يك عمل مقدماتی ضروری براي يك جداسازي كروماتوگرافي مورد نظر باشد، استفاده كرد.
مواد مبادله كننده يون
تبادل گرهای كاتيوني و آنيوني دو نوع عمده مواد مبادله کننده يون هستند كه آنها را به نوبه خود مي‌‌‌توان بر حسب قدرتشان به اسيد و باز تقسيم‌‌‌بندي كرد.
در کروماتوگرافی، محلول‌‌‌های بکار رفته اکثرا رقیق هستند و در نتیجه روش شستشو بیشتر به کار می‌‌‌رود و اغلب جداسازی‌‌‌های بسیار رضایت بخشی به دست می‌‌‌آید. در مورد رزین‌‌‌ها تجزیه جانشینی و تجزیه مرحله‌‌‌ای و شستشوی تدریجی همگی به کار می‌‌‌روند. ولی از تجزیه جبهه‌‌‌ای استفاده نمی‌‌‌شود. روش دیگر شستشو، تحت عنوان گزینش‌‌‌پذیری، نیز کار مفیدی دارد. این روش به فعالیت یون‌‌‌هایی بستگی دارد که باید بوسیله عامل شوینده‌‌‌ای که با یون‌‌‌ها تشکیل کمپلکس می‌‌‌دهد جدا شوند.
تشکیل کمپلکس بدون شک عامل مهمی در سایر روش‌‌‌های کروماتوگرافی، مخصوصا در جداسازی‌‌‌های معدنی روی کاغذ است، ولی در هیچ یک از سایر روش‌‌‌ها این موضوع به همان وسعت که در کروماتوگرافی تبادل یونی استفاده شده، مطالعه نشده است. یکی از قدیمی‌‌‌ترین و جالب‌‌‌ترین موفقیت‌‌‌ها در کروماتوگرافی تبادل یونی جداسازی لانتانیدها در یک رزین اسید قوی و با استفاده از یک محلول سیترات تامپونی برای شستشو است.
کروماتوگرافی نمک زنی
در روش کروماتوگرافی نمک‌‌‌زنی، از رزین‌‌‌های تبادل یونی برای جداسازی غیر الکترولیت‌‌‌ها، با شستن آنها از ستون به وسیله محلول‌‌‌های آبی یک نمک، استفاده می‌‌‌شود. اجسام جدا شده بوسیله این روش، اترها و کتون‌‌‌ها هستند.
تبادل‌‌‌گرهای یون معدنی
بعضی از نمک‌‌‌های معدنی برای پر کردن کاغذ و آماده‌‌‌سازی آن به منظور استفاده در جداسازی‌‌‌ها که بر اثر تبادل یون صورت می‌‌‌گیرند، بکار می‌‌‌روند. یکی از دلایل توجه به مواد معدنی این است که تبادل‌‌‌گرهای یونی رزینی بر اثر تابش مستعد خراب شدن هستند. بنابراین در حقيقت براي استفاده با محلول‌‌‌هاي خيلي فعال مناسب نيستند. مواد معدني داراي مزاياي ديگري مانند گزينش پذيري خيلي زياد براي بعضي از يون‌‌‌ها مانند روبيديم و سزيم و توانايي در برابر محلول‌‌‌هاي با دماي بالا هستند.
به علاوه تبادل‌‌‌گرهاي يوني معدني وقتي كه در آب قرار مي‌‌‌گيرند به مقدار قابل توجهي آماس نمي‌‌‌كنند و حجم آنها با تغيير قدرت يوني محلول در تماس با آنها تغيير نمي‌‌‌كند. از طرف ديگر، بعضي از مواد معدني معايبي مانند انحلال‌‌‌پذيري يا والختي در بعضي از pHها كه در آن معمولا رزين‌‌‌ها پايدارند، دارند يا ممكن است در محلول‌‌‌هايي كه رزين‌‌‌هاغير محلول هستند، حل شوند.
همچنين تبادل‌‌‌گرهاي يوني معدني ممكن است به شكل بلورهاي ريز باشند كه به علت ممانعت از عبور فاز متحرك، براي پر كردن ستون‌‌‌ها مناسب نيستند. اگرچه راههايي براي فائق آمدن به اين مشكل وجود دارد.
كاربرد فناوري‌نانو در پاکسازي محيط زيست
يكي از مهم‌ترين کاربردهاي فناوري‌نانو در محيط زيست، تصفيه آلاينده‌هاي آب‌هاي زيرزميني با نانوذرات آهن (zero-valent iron) يا Nzvi است که بازده و راندمان قابل توجهي دارد، اما نامشخص بودن خصوصيات اساسي اين فناوري مشکلاتي در رابطه با استفادi بهينه و يا ارزيابي خطرات آن از لحاظ انساني و اکولوژيکي به وجود آورده است. در اين مقاله به سه مورد اساسي که باعث سوء تفاهم در مورد اين فناوري مي‌شود اشاره مي شود: 1)nZVI هايي که در تصفيi آب‌هاي زيرزميني استفاده مي‌شوند بسيار بزرگتر از ذراتي هستند که تأثيرات حقيقي در اندازه نانو را نشان مي‌دهند. 2) واکنش‌پذيري بالاي اين ذرات عمدتاً نتيجه سطح ويژه بالاي آنها است. 3) تحرک nZVI تقريباً در تمامي شرايط کمتر از چندمتر است. لذا استفاده از آن در تصفيه به حداقل مي‌رسد.
يكي از مهم‌ترين کاربردهاي فناوري‌نانو در محيط زيست، تصفيه آلاينده‌هاي آب‌هاي زيرزميني با نانوذرات nZVI (zero-valent iron) است که بازده و راندمان قابل توجهي دارد، اما نامشخص بودن خصوصيات اساسي اين فناوري مشکلاتي در رابطه با استفاده بهينه و يا ارزيابي خطرات آن از لحاظ انساني و اکولوژيکي به وجود آورده است.
در اين مقاله به سه مورد اساسي که باعث سوء تفاهم در مورد اين فناوري مي‌شود اشاره مي شود:
1. nZVI هايي که در تصفيه آب‌هاي زيرزميني استفاده مي‌شوند بسيار بزرگتر از ذراتي هستند که تأثيرات حقيقي در اندازه نانو را نشان مي‌دهند.
2. واکنش‌پذيري بالاي اين ذرات عمدتاً نتيجه سطح ويژه بالاي آنها است.
3. تحرک nZVI تقريباً در تمامي شرايط کمتر از چندمتر است. لذا استفاده از آن در تصفيه به حداقل مي‌رسد.
به هر حال هنوز سئوالات زيادي در مورد اين فناوري وجود دارد: مثلاً اين كه چگونه nZVI به سرعت جابه‌جا خواهد شد؟ اين جابه‌جايي به سمت چه محصولاتي است؟ آيا اين مواد در محيط زيست قابل تشخيص هستند؟ و اينکه چگونه تغييرات سطح nZVI باعث تغيير طول عمر و تأثير آن روي تصفيه خواهد شد؟
کاربردهاي نويدبخش فناوري‌نانو در محيط زيست بسيار زياد است؛ اين مطلب در ”پيشرفت محيط‌زيستي“ به عنوان يکي از هشت زمينه پيشرو فناوري‌نانو که از جانب NNI تعيين شده منعکس شده است. در حقيقت، تقريباً تمام برنامه‌هاي NNI (پديده‌هاي بنيادي، مواد، روش‌ها، اندازه‌گيري و غيره) جنبه‌هاي محيطي دارند. نگراني‌هاي زيست محيطي تقريباً در تمام 11 سازمان حاضر در برنامه NNI قابل مشاهده است.
بيشتر کاربردهاي زيست محيطي فناوري‌نانو در سه مقوله جاي مي‌گيرند:
1. محصولات بي‌خطر براي محيط زيست يا محصولات با قابليت تحمل بالا مثلاً شيمي سبز؛
2. تصفيه موادي که با ذرات خطرناک آلوده شده‌اند؛
3. حسگرهايي براي ذرات محيطي.
با اينکه معمولاً اين سه مقوله در زمره موادشيميايي يا مواد نانوبيولوژيکي تلقي مي‌شود بايد توجه کرد که اين موارد مي‌تواند در مورد عوامل ميکروبي و مواد زيست‌محيطي نيز کاربرد داشته باشد. فناوري‌نانو‌ نقش مهمي در بهبود روش‌هاي کشف و پاک‌سازي عوامل زيست‌محيطي مضر دارد.
دو فناوري متعارف تصفيه كه در فناوري‌ ‌نانو نيز از آنها استفاده مي‌شود عبارتند از: جاذبه و واکنش درجا و غيردرجا. در فناوري‌ تصفيه جاذبه‌اي به كمك فرآيند جداسازي، آلاينده‌ها (به خصوص فلزات) را جدا مي‌کنند؛ در حالي که فناوري‌ واکنشي باعث تجزيه آلاينده‌هاي مي‌شود. گاهي اوقات تمام روش‌ها به سمت توليد محصولات کم ضررتر است مثلاً در مواردي که آلاينده‌ها آلي باشند محصولاتي مثل CO2 و H2O توليد مي‌شود.
در فناوري‌‌ درجا، پاک‌سازي آلودگي در همان محل آلودگي صورت مي‌گيرد در حالي که در فناوري‌ غير درجا، عمليات پاک‌سازي پس از انتقال مواد آلوده کننده به مکان‌ مطمئن انجام مي‌شود؛ به عنوان مثال آب‌هاي زيرزميني آلوده به سطح زمين پمپ شده و پاک‌سازي آنها در راکتورهاي واقع در سطح زمين انجام مي‌شود.
فناوري‌نانو غيردرجا
يک مثال برجسته از فناوري‌نانو براي تصفيه آلاينده‌ها از طريق جذب سطحي، تك لايه‌هاي خودآرا روي پايه ميان حفره‌اي يا SAMMS است. SAMMS از طريق خود آرايي‌ يک لايه از عوامل سطحي فعال شده بر روي پايه‌هاي سراميکي ميان حفره‌اي به وجود مي‌آيد که سبب ايجاد موادي با سطح ويژه بسيار بالا (تقريباً1000 m2/g) مي‌شود. خصوصيات جذبي اين مواد را به گونه‌اي مي‌توان تنظيم كرد كه آلاينده‌هاي خاص مثل جيوه، کرومات، آرسنات، پرتکنتات، و سلنيت را جذب كند.
پليمرهاي درخت‌ساني، نوع ديگري از مواد نانوساختار هستند که پتانسيل تصفيه آلاينده‌ها را دارند. نمونه‌هاي جديد اين روش شامل اولترافيلتراسيون بهبود يافته با درخت‌سان‌ها به منظور حذف Cu+2 از آب و حذف آلاينده‌هاي Pb+2 از خاک است.
اين دو نوع نانوساختار جاذب كه در فرايندهاي غيردرجا استفاده مي‌شوند، مي‌توانند مواد پرخطر را در غلظت بالايي در سطح خود جمع کنند.
تجزيه آلاينده‌ها به كمك فناوري نانو بر خلاف تصفيه از طريق جذب مختص آلاينده‌هاي آلي است. روش رايج تصفيه آلاينده‌هاي آلي فوتواكسيداسيون (photooxidation) به وسيله كاتاليزورهاي نيمه‌رسانا (مثلTiO2 ) است. قابليت فوتوکاتاليست‌هاي کوانتومي (اندازه ذره تقريباً 10 nm) مدت‌هاست كه در تجزيه آلاينده‌ها شناخته شده‌ است.
به هر حال همان‌طور که در توضيح فناوري‌هاي جاذب گفته شد فوتواکسيداسيون به وسيله نيمه‌هادي‌هاي نانوساختار يک روش غيردرجا است؛ چون به نور نياز دارد و بايد در يک راکتور که براي اين کار طراحي شده است؛ انجام شود.
فناوري‌نانو‌ درجا
واکنش تنها زماني رخ مي‌دهد که آلاينده‌ها به صورت محلول در آب‌هاي زيرزميني باشند و يا مثل DNAPL به سطوح Fe متصل باشند.
تجزيه درجاي آلاينده‌ها، بر ساير روش‌ها ارجحيت دارد؛ زيرا اين روش از نظر اقتصادي مقرون به صرفه‌تر است. البته تصفيه درجا مستلزم تداخل آلاينده‌ها با عمليات پاک‌سازي است و اين خود مانع اصلي در توسعه و بسط اين نوع فناوري‌ها است. امكان تزريق نانوذرات (واکنشي و جذبي)، در محيط‌هاي متخلخل آلوده‌ مثل خاک‌ها، رسوبات و محيط‌هاي آبي، سبب شده است تا اين روش از پتانسيل بالايي برخوردار باشد. در اين روش يکي از دو امكان زير بايد وجود داشته باشد:
1. ايجاد نواحي واکنشي درجا با نانوذراتي که تقريباً بي‌حرکت هستند؛
2. ايجاد توده نانوذرات واکنشي که به سمت مناطق آلوده حرکت مي‌کنند؛ البته اگر اين نانوذرات به اندازه کافي متحرک باشند. (همان گونه که درشکل (1) نشان داده شده است).
در زير بيشتر به تحرک درجاي نانوذرات مي‌پردازيم، زيرا تحرک درجاي نانوذرات معمولاً باعث ايجاد سوء تفاهم در فهم مطلب مي‌شود.
با وجود اينکه نانوذرات گوناگوني (مثل دو قطبي غيريوني، پلي‌يورتان و يا فلزات نجيبي روي پايه آلومينا) در تصفيه درجا قابل استفاده‌اند؛ اما تا به حال بيشترين توجه به نانوذرات حاوي nZVI شده است. تمايل به استفاده از nZVI براي تصفيه باعث بهبود شيمي تصفيه و يا گزينه‌هاي توسعه آن شده است.
اين امر منجر به انتقال بسيار سريع اين فناوري از مرحله آزمايشگاهي به مرحله نيمه‌صنعتي شده است. کاربردهاي تجاري nZVI در تصفيه به سرعت رايج و بازارهاي رقابتي شديدي در زمينه مواد حاوي nZVI و تأمين کنندگان خدمات آن به وجود آورده است.
برخي تصورات غلط راجع به اصول اساسي فناوري تصفيه مبتني بر nZVL کاربردهاي آن در محيط زيست وجود دارد. با اينکه اين مطالب بسيار به هم وابسته‌اند ولي ما مي‌توانيم آنها ر ا در سه گروه تقسيم کنيم: ريخت‌شناسي ذره، واکنش‌پذيري و تحرک.
در ادامه، نكات کليدي سه دسته بالا را توضيح مي‌دهيم تا بتوانيم به يك جمع‌بندي راجع به اين فناوري‌ دست يابيم و از اين طريق به پيشرفت‌هاي زيست محيطي فناوري كمك كنيم.
ريخت‌شناسي
تعريف‌هاي گوناگوني در مورد اندازه نانو ارائه شده است؛ اما بايد به اين نظريه اشاره کرد که اندازه نانو محدوده‌اي از اندازه مولکول‌ها و مواد است که ذرات در اين محدوده، خواص بي‌همانند يا به طور کيفي، متفاوت با ذرات بزرگ‌تر از خود دارند.
بيشتر نمونه‌هايي که اين خواص را دارند، داراي اندازه‌اي در محدوده کوچک‌تر از 10 نانومتر هستند؛ زيرا در اين محدوده، اندازه ذرات به اندازه آنها در شرايط مولکولي پايدار نزديک‌تر است.
يکي از اين مثال‌ها محدوده کوانتومي است که به اين علت به وجود مي‌آيد که با کاهش اندازه ذرات، باند گپ (bandgap) افزايش يافته، باعث به وجود آمدن برخي ويژگي‌هاي مفيد در فوتوکاتاليست‌هاي نيمه‌هادي مي‌شود كه در بخش فناوري‌هاي غيردرجا توضيح داده شد.
خصوصيات ديگري که در اندازه‌هاي زير 10 نانومتر تغيير مي‌کند سطح ويژه است که در شکل (2) نشان داده شده است.
از نظر کيفي فاکتورهاي ديگري نيز وجود دارند که در تعيين اين خصوصيات دخالت دارند، مثل نسبت اتم‌هاي سطحي به اتم‌هاي توده و قسمتي از حجم ذره که شامل ضخامت محدود لايه سطحي است (حجم سطحي).
آماده‌سازي nZVI براي استفاده در کاربردهاي تصفيه‌اي، به طور معمول در اين محدوده- بين چند ده تا چند صد نانومتر- انجام مي‌شود. علاوه بر اين، ذرات nZVI حتي تحت شرايط آزمايشگاهي هم تمايل دارند که به هم بپيوندند و متراکم شوند و در نتيجه مجموعه‌هايي توليد مي‌شود که اندازه آنها ممکن است نزديک چند ميکرون شود. اين بدان معني است که nZVI و مواد مرتبط با آن که در کاربردهاي تصفيه محيط‌زيست استفاده مي‌‌شوند، خصوصيات فوق‌العاده مورد انتظار براي نانوذرات حقيقي را از خود نشان نخواهند داد و اغلب همانند کلوئيد‌هاي محيط زيست رفتار خواهند کرد.
واکنش‌پذيري
واکنش‌پذيري زياد نانوذرات مي‌تواند نتيجه سطح ويژه بالاي نانوذرات، چگالي بيشتر نواحي واکنش‌پذير روي سطوح ذره و يا افزايش واکنش‌پذيري اين نواحي بر روي سطح باشد.
اين فاکتورها مجموع سه نتيجه واضح وکارا را در مورد nZVI در پي داشته است:
1. تجزيه آلاينده‌هايي که واكنش‌ چنداني با ذرات بزرگ‌تر نمي‌دهند. مانند پلي فنيل هاي کلرينه شده؛
2. تجزيه بسيار سريع‌تر آلاينده‌هايي که پيش از اين با سرعت‌هاي مناسبي با ذرات بزرگ‌تر واکنش نشان مي‌دادند، مانند اتيلن‌هاي کلرينه شده؛
3. دسترسي به محصولات مطلوب‌تر با تجزيه آلاينده‌هايي که به وسيله مواد بزرگ‌تر سريعاً تجزيه مي‌شوند؛ اما باعث به وجود آمدن محصولات فرعي نامطلوبي مثل تتراکلريدکربن مي‌شوند.
از اين سه دسته تأثيرات واکنشي، دومين دسته (تجزيه سريع‌تر آلاينده‌هاي قابل تجزيه) بيشتر مورد توجه قرار گرفته است. علت اين تأثير با اينکه يک مسئله بسيار کاربردي، بنيادي و با اهميت است کمتر شناخته شده است. اما براي تجزيه تتراكلريد كربن به وسيله nZVI ، نسبت ثابت سرعت‌هاي نرمال شده بر حسب سطح ويژه ksa را با ثابت سرعت‌هاي نرمال شده بر حسب جرم km مقايسه كرديم، نتايج نشان داد که ksa براي نانوذرات nZVI برابر اين پارامتر در ذرات ميلي‌متري nZVIاست؛ اما km آن بزرگ‌تر از ذرات ميلي‌متري است (شکل 3). بنابراين تجزيه سريع‌تر تتراکلريد کربن به وسيله nZVI به خاطر سطح ويژه بالاي آن است، نه به خاطر بيشتر بودن فراواني نقاط واکنش‌پذير روي سطح و يا واکنش‌پذيرتر بودن اين نقاط. اين نتيجه ممکن است در مورد ساير آلاينده‌هايي که با nZVI واکنش مي‌دهند نيز صدق کند اما اطلاعات ما در اين مورد ناکافي است.
بايد توجه داشت که اين تحليل شامل ترکيبات دوفلزي nZVI با کاتاليزرهاي فلزات نجيب مثل Pd، Ni و Cu نيست. اين مواد دو فلزي معمولاً داراي مقادير ksa بالايي هستند، ولي اين افزايش در درجه اول نتيجه تأثير خاصيت کاتاليستي فلزات نجيب است که در مورد ذرات بزرگ‌تر نيز مشاهده مي‌شود.
اما مشكلي كه هست اين كه افزايش واکنش‌پذيري معمولاً همراه با كاهش انتخاب‌پذيري است كه موجب واکنش nZVI با مواد غيرهدف شامل اکسيژن غيرمحلول و آب‌ و در نتيجه پايين آمدن راندمان تصفيه با nZVI مي‌شود.
شكل فوق منجر به پيدايش نياز به تزريق ذرات به سيستم و درنتيجه بالا رفتن هزينه عمليات خواهد شد.
با محدود کردن مواد ناخواسته (مواد غيرهدف شامل اکسيژن و آب) به وسيله گيرنده‌هاي ارزان‌تر مي‌توان طول عمر کوتاه nZVI را مفيدتر کرد؛ البته اگر ذرات تحرک قابل ملاحظه‌اي از خود نشان دهند.
تحرك
نانوذرات در محيط‌هاي متخلخل تحرک زيادي خواهند داشت، زيرا اندازه آنها از اندازه سوراخ‌هاي محيط‌هاي متخلخل بسيار کوچک‌تر است اما اينکه ما فرض کنيم علت تحرک نانوذرت تنها اين مطلب است بسيار ساده انگاري است. معمولاً تحرک نانوذرات را در محيط‌هاي متخلخل اشباع، دو فاکتور تعيين مي‌كند: تعداد برخوردهاي نانوذرات با محيط متخلخل به ازاي واحد جابه‌جايي؛ و ضريب چسبندگي (احتمال اينکه هر برخورد، منجر به حذف ذره از جريان شود). برخورد ممکن است در نتيجه سه عامل رخ دهد: حرکت براوني، بازدارنده‌ها (عواملي که مانعي از حرکت نانوذره مي‌شوند) و رسوب‌گذاري گرانشي. نانوذرات در محيط‌هاي متخلخل اغلب حركت براوني دارند. براي ذرات بزرگتر از 400 نانومتر با چگالي بالا‌ (مثلاً 7.68 g/cm2 براي ذرات آهن خالص) تأثير جاذبه مي‌تواند بسيار مهم باشد. با استفاده از روش بازده single-Collector که به وسيله Tufenkji و Elimelech ارائه شده و تئوري فيلتراسيون deep-bed، اين امکان وجود دارد که بتوان فاصله جابه‌جايي را كه در آن، 99 درصد حذف نانوذرات به عنوان تابعي از خواص سطحي و ضريب چسبندگي صورت مي‌گيرد، محاسبه كرد.
شکل (4) نشان مي‌دهد که محدوده فاصله جابه‌جايي در شرايط سطحي متعارف، از چند ميلي‌متر تا چند ده متر متناسب با ضريب چسبندگي است.
ضريب چسبندگي گزارش شده براي nZVI معمولي در انواع محيط‌هاي متخلخل، بين 0.14 تا يك است؛ اين به معني فاصله جابه‌جايي چند سانتي‌متر در محيط‌هاي متخلخل در شرايط آب‌هاي زيرزميني است (شکل4). اين امر موجب ايجاد علاقه قابل ملاحظه‌اي براي تغيير سطح نانوذرات در جهت افزايش فاصله جابه‌جايي شده است.
بدين ترتيب ضرايب چسبندگي کوچک‌تري براي اين گونه نانوذرات و ساير نانوذرات گزارش شده است (0.001 براي نانوذرات Fe كه سطح آنها بهبود يافته است و 0.0001 براي نانوذراتي که پايه کربني دارند). اما حتي اين ضرايب چسبندگي کوچک هم به طور قطعي باعث تحرک بيشتر (بيش از چندمتر) نانوذرات در آب‌هاي زيرزميني نمي‌شود، به جز در آب‌هاي زيرزميني با سرعت حركت خيلي زياد.
خطرات
مباحث فوق در مورد ريخت‌شناسي، واکنش‌پذيري و تحرک نانوذرات در زمينه تصفيه ‌محيط زيست نشان مي‌دهد که دانش ما در مورد فرآيندهاي پايه در اين فناوري هنوز ناکافي است. به علاوه، خطرات احتمالي اين فناوري براي سلامت انسان و محيط‌زيست، انجام اين روش در مقياس انبوه را با مشكل مواجه كرده است. مخصوصاً با توجه به کاربردهاي درجاي nZVI (يا مواد وابسته) براي تصفيه محيط‌هاي متخلخل، هنوز تحقيقات مستقيم و قابل ملاحظه‌اي که خطرات آن را مورد توجه قرار دهد انجام نشده است. برخي گروه‌ها حالت احتياطي (پيشگرانه) را پذيرفته‌اند و کاربردهاي درجاي نانوذرات براي تصفيه را ممنوع کرده‌اند در حالي که برخي گروه‌ها آن را توصيه کرده‌اند. در واقع تحقيقات در اين زمينه بايد به طور موازي صورت گيرد.
اين معما که چگونه مي‌توان از نانوذرات براي تصفيه استفاده کرد بايد به زودي و با استفاده از نتايج تحقيقات در حال انجام، قابل حل و دسترسي باشد. مهم‌ترين اين خطرات استنشاق ذرات‌ريزي است که از طريق هوا جابه‌جا مي‌شوند.
به هر حال هم‌اکنون ما مي‌توانيم نتيجه بگيريم با اينکه nZVI و مواد مرتبط با آن، در کاربردهاي تصفيه‌اي درجا استفاده مي‌شوند، از مواد ويژه‌اي که در دسترس ما هستند کوچک‌تر، واکنش‌پذيرتر، مقاوم‌تر و متحرک‌تر بوده و در عين حال احتمال خطرزايي براي انسان و محيط زيست را دارا هستند
کاربردهاي فناوري‌نانو در صنعت آب
جمعيت جهان در حال افزايش و منابع آب آشاميدني رو به کاهش است؛ بنابراين ممکن است جهان در آينده با مشکل کمبود آب مواجه شود. افزايش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگي نيز تشديد مي‌شود سبب شده‌است تا تأمين آب بهداشتي به يکي از دغدغه‌هاي اساسي جامعه جهاني تبديل شود. امراض ناشي از آلودگي‌هاي آب هرروزه هزاران و شايد دهها هزار نفر را مي‌کشد.
توانايي بازيافت آب، امکان دسترسي به يک منبع مناسب براي مصارف گوناگون را ايجاد مي‌کند. با به کارگيري فناوري‌هاي الکتريکي و مکانيکي به ‌سادگي مي‌‌توان آب آلوده را براي استفاده در کشاورزي و يا حتي براي مصارف خانگي بازيافت نمود. بدين‌ترتيب فيلترنمودن آب با فيلترهاي نانومتري، تحولي عظيم در بازيافت و استفاده مجدد از آب‌هاي صنعتي و کشاورزي ايجاد مي‌کند. فيلترهاي فيزيکي با منافذي در حد نانومتر مي‌توانند باکتري‌ها، ويروس‌ها و حتي واحدهاي کوچک پروتئين را صددرصد غربال کنند. با جداساز‌هاي الکتريکي که يون‌ها را به وسيله صفحات ابرخازن جذب مي‌کند مي‌توان نمک‌ها و مواد سنگين را جذب کرد. بررسي‌ فعاليت‌هاي مختلف دنيا، شامل برنامه‌هاي در دست اجرا و برنامه‌هاي آتي مراکز صنعتي و پژوهشي، نشان مي‌دهد که حوزه تصفيه يکي از حوزه‌هاي کاربرد فناوري‌نانو در صنعت آب است؛ و با بهره‌گيري از آن، هزينه‌هاي تصفيه آب به ميزان زيادي کاهش خواهد يافت.
دو زمينه اصلي در اين عرصه عبارتند از:
فيلترهاي نانومتري به منظور افزايش بازيابي آب در سيستم‌هاي موجود؛
نانوحسگرهاي زيستي به منظور تشخيص سريع و کامل آلودگي‌هاي آب.
در اين مقاله به بررسي تعدادي از کاربردهاي فناوري‌نانو در صنعت آب مي‌پردازيم.
فناوري‌هاي جديد، امکان توليد آب نانوفيلتر شده را در مقياس انبوه فراهم مي‌کند. آب تصفيه‌شده به وسيله نانوفيلتراسيون به اندازه آب‌معدني تصفيه‌شده ارزش دارد. با استفاده از نانوفيلتر، مواد معدني لازم براي سلامت انسان در آب باقي مانده و مواد سمي و مضر، از آن حذف مي‌شود. نانوفيلتراسيون يک روش مفيد بين روش‌هاي اسمز معکوس و اولترافيلتراسيون است. اولترافيلتراسيون به دليل بالاتر بودن مقدار آلاينده‌هاي معدني و قليايي نسبت به حد مجاز و روش اسمز معکوس به دليل توليد خلوص بيش از حد محصول و بالا بودن قيمت داراي نقايصي هستند.
دانشمندان دانشگاه باناراس (Banaras) روش ساده‌اي براي توليد فيلترها با استفاده از نانولوله‌هاي کربني توسعه داده‌اند که قادر به حذف مؤثر آلاينده‌هاي ميکرو‌ و نانومقياس از آب و نيز حذف هيدروکربن‌هاي سنگين از نفت خام است. استفاده از نانولوله‌هاي کربني در ساخت فيلترها سبب سهولت در تميز کردن، افزايش استحکام، قابليت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما مي‌شود. اين فيلترها داراي دقت بسيار مناسبي در کاربردهاي مختلف هستند، به عنوان مثال قادرند پوليوويروس‌هايي با اندازه 25 نانومتر را به خوبي پاتوژن‌هاي بزرگ‌تري مانندE. Coil و باکتري‌هاي استافيلوکوک، از آب حذف نمايند. نانوفيلتراسيون داراي مزايايي مانند قيمت پايين، و کنترل مقدار کاهش آلاينده‌ها در آب تصفيه شده است.
شرکت آرگونايد (argonide) در حال استفاده از نانوفيبرهاي اکسيد آلومينيوم با اندازه دو نانومتر براي تصفيه آب است. فيلترهايي که از اين فيبرها ساخته شده‌اند، مي‌توانند ويروس‌ها، باکتري‌ها و کيست‌‌ها را از بين ببرند.
شيرين سازي آب به وسيله نانوغشاها
غشاء نانو لوله‌اي
محققان آزمايشگاه مليLawrence Livermore با همکاري دانشگاه برکلي کاليفرنيا غشاهايي با حفره‌هايي از جنس نانولوله‌هاي کربني ساخته‌اند که به کمک آن امکان جداسازي ارزان‌تر گاز و مايع فراهم مي‌شود. در حال حاضر اغلب غشاهاي موجود از جنس مواد پليمري هستند که براي کاربردهاي دما بالا مناسب نيست. استفاده از اين نوع غشاها نمي‌تواند توازن قابل قبولي بين ورودي غشا و قابليت انتخاب آن برقرار نمايد، يعني ورودي بالا منجر به کاهش انتخاب‌پذيري است و بالعکس؛ اما دانشمندان با استفاده از نانولوله‌هاي کربني توانسته‌اند اين دو امر به ظاهر متضاد را با هم جمع و امکان انتخاب‌پذيري خوب همراه با ورودي بالا را فراهم کنند.
اين محققان توانسته‌اند روشي براي ساخت اين غشاها بيابند که با سيستم‌هاي ميکروالکترومکانيکي (MEMS) هم سازگار باشد. اين غشاهاي جديد با حفره‌هاي کوچک‌تر و با تراکم بسيار و امکان عبور شدت جريان زياد از هر حفره، از لحاظ گذردهي آب و هوا نسبت به غشاهاي پلي‌کربناتي فعلي بسيار برترند. اين غشاهاي بهبود يافته کاربردهاي فراواني در تصفيه آب دارند.
كامالش سيكار(Kamalesh Sirkar) در مؤسسه فناوري نيوجرسي از روش جداسازي غشايي در شيرين‌سازي آب استفاده کرده ‌است. در روش جداسازي غشايي، آب شور داغ را روي ورقه نازکي از غشايي داراي سوراخ‌هاي ريز موسوم به نانوحفره مي‌ريزند. اين حفره‌ها آنقدر کوچکند که تنها بخار مي‌تواند از آنها عبور کند و آب، مايع، نمک‌ها و مواد معدني ديگر در پشت غشا مي‌مانند. در طرف ديگر محفظه‌اي از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور از آن، کندانس شده و دوباره به مايع تبديل مي‌شود. ابزاري که در اين روش به کار رفته است، عبارت است از دستگاهي مستطيل شکل با مجموعه‌اي از غشاهاي الياف مانند توخالي که مايع به طور عرضي در آن جريان مي‌يابد. اين غشاها به صورت هزاران لوله به شکل تار مو در آمده، سپس آنها را به صورت بسته‌هايي داخل يک جعبه قرار مي‌دهند. در اين شکل نمونه آزمايشي از اين دستگاه آب شيرين‌کن نشان داده شده است. در قسمت وسط، دسته‌اي از هزاران لوله توخالي شبيه تارمو قرار دارد. جداره اين لوله‌ها را هم غشاهايي با نانوحفره‌هاي کوچک تشکيل مي‌دهد.
تصفيه آب به کمک نانوذرات
نانوذرات لانتانيوم توليدي شرکت آلتايرنانو (Altairnano) فسفات را از محيط‌هاي آبي جذب مي‌کند. به‌کارگيري اين نانوذرات در حوضچه‌ها و استخرهاي شنا مي‌تواند به طور مؤثري فسفات موجود را از بين برده و در نتيجه از رشد جلبک‌ها جلوگيري نمايند. تحقيقات دانشگاه Lehigh آمريکا نشان مي‌دهد که نانوپودرها مي‌توانند به عنوان ابزاري مناسب براي پاک‌سازي خاک‌هاي آلوده و آب‌هاي زيرزميني استفاده شوند. نانوذرات آهن موجب اکسيده و درهم شکستگي ترکيبات آلوده کننده مانند تري‌کلرواتيلن، تتراکلريد کربن، ديوکسين‌ها وPCB ها شده، آنها را به ترکيبات کربني با درجه سميت بسيار پايين‌ تبديل مي‌کند .
براي از بين بردن اغلب فلزات سنگين موجود در آب، روش تصفيه کاتاليزوري گزينه مناسبي نيست، بنابراين محققان به جاي آن از روش‌هاي جذب روي پليمرها و يا ذرات افزودني استفاده مي‌کنند. آرسنيک از آلاينده‌هاي بسيار سمي رايجي است که هم به طور طبيعي و هم به شکل پساب‌هاي بشري باعث آلودگي آب مي‌شود. مصرف اين ماده سبب افزايش سرطان‌هاي مثانه و روده‌ مي‌شود. در سطح جهان آمار مسموميت با آرسنيک بسيار بالا است و در بسياري از کشورهاي در حال توسعه مانند بنگلادش که بيش از 10 تا 20 درصد جمعيت آن دچار مسموميت با آرسنيک شده‌اند، يک فاجعه بهداشتي تلقي مي‌شود. اغلب آلايندگي‌هاي ناشي از آرسنيک به کشورهاي جهان سوم اختصاص دارد. به اين ترتيب نياز شديدي به فناوري‌هاي نوين احساس مي‌شود تا بتوان آلاينده‌هاي فلزي سنگين مانند آرسنيک را از آب آشاميدني حذف کرد. به همين منظور محققان دانشگاه رايس، از نانوبلورهاي مغناطيسي به عنوان هسته اصلي سيستم‌هاي تصفيه جديد استفاده کرده‌اند.
سطوح معدني آهني نه تنها تمايل شديدي به جذب آرسنيک دارند، بلکه با انتخاب اندازه مناسب مي‌توان به راحتي اين ذرات مغناطيسي را به واسطه جداسازي مغناطيسي از آب جدا کرد. نانوذرات همان کارايي توده آهني را در جذب آرسنيک دارند. در واقع نه تنها ظرفيت جذب آرسنيک آنها بالاتر است، بلکه به محض قرار گرفتن اين ماده در کنار نانوذرات جدا کردن آنها سخت مي‌شود. در نظر گرفتن تمام اين نتايج، نشان مي‌دهد که نانوذرات مغناطيسي جاذب‌هاي بسيار کارامدي براي آرسنيک خصوصاً در pH پايين هستند و خاصيت جذبي غيرقابل برگشت آنها مخزن مناسبي را براي جمع‌آوري آلاينده‌ها فراهم مي‌کند.
تصفيه پساب‌هاي صنعتي
پساب‌هاي صنعتي صنايع شوينده، غني از اکسيژن بيوشيميايي و مواد فعال شيميايي است که بايد در فرايندهاي تصفيه از آب زدوده شود. يکي ديگر از موادي که در پساب‌هاي صنعتي فراوان يافت مي‌شود مواد نامحلول روغني شامل روغن‌ها و گريس‌هاست. حضور اين مواد فرايند پالايش آب را دچار مشکل مي‌کند. يکي از روش‌هاي اقتصادي براي تصفيه اين مواد، استفاده از سيستم‌هاي ترکيبي ميکروفيلتراسيون-نانوفيلتراسيون است. در اين سيستم‌ها از ميکروفيلتراسيون براي زدودن ذرات معلق مانند روغن‌ها و گريس‌ها و از نانوفيلتراسيون براي حذف پاک‌کننده‌ها استفاده مي‌شود.
تصفيه فاضلاب‌ها
محققان دانشگاهUniSA در استراليا به دنبال توسعه روش منحصر به فردي براي تصفيه فاضلاب‌ها هستند که بدون استفاده از مواد شيميايي گران قيمت، کيفيت آب را بيشتر از روش‌هاي موجود بهبود مي‌بخشد. آخرين مرحله تصفيه آب، حذف موجودات زنده بسيار ريز است. در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفوني‌کننده استفاده مي‌شود، ولي در اين حالت حتي بعد از تصفيه هم ترکيبات ارگانيک زيادي در آب حضور دارند. کلر موجودات زنده ريز را از آب حذف مي‌کند، ولي با آلاينده‌هاي ارگانيک واکنش داده، محصولات جانبي تجزيه‌ناپذير و سمي توليد مي‌کند که نمي‌توان آنها را از آب حذف کرد. انتقال اين مواد به محيط‌زيست و استفاده از آنها در کشاورزي و ديگر صنايع مي‌تواند مشکلات بهداشتي جدي ايجاد کند.
تصفيه فاضلاب به کمک نانوکاتاليزور نوري مي‌تواند جايگزين سومين مرحله تصفيه يعني ضد عفوني با کلر شود تا موجودات زنده ريز و ترکيبات آلي را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به يک منبع آب مناسب تبديل کند. به طور طبيعي موجودات زنده ريز، ترکيبات ارگانيک بزرگ را کوچک‌تر مي‌کنند؛ اما از آنجا که اين ترکيبات به طور زيستي تجزيه ناپذيرند، ما مجبور به استفاده از نوعي انرژي براي تجزيه آنها هستيم. اين انرژي از اشعه فرابنفش نور خورشيد گرفته مي‌شود و به همراه کاتاليزورهاي نوري مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
انرژي توليد شده از واکنش سلول کاتاليزوري نوري مي‌تواند موجودات زنده ريز را کشته و ترکيبات تجزيه‌ناپذير را تجزيه کند. اين فرايند به دليل امكان استفاده مجدد از كاتاليزورهاي نوري، بسيار مقرون به صرفه است . ذرات کاتاليزوري چه به صورت همگن در محلول پراکنده شده يا روي ساختارهاي غشايي رسوب داده شده باشند، مي‌توانند ما را از تجزيه شيميايي آلاينده‌ها مطمئن سازند.
اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود فعاليت کاتاليزوري شناخته شده است و دانشمندان از آن در حذف تري‌کلرواتيلن (TCE) از آب‌هاي زيرزميني استفاده کرده‌اند. تحقيقات مرکز فناوري‌نانوي زيست‌محيطي (CBEN) دانشگاه‌ رايس نشان مي‌دهد نانوذرات طلا و پالاديم، کاتاليست‌هايي بسيار مؤثر براي حذف آلودگي‌TCE از آب هستند.
مزيت‌هاي حذف TCE با پالاديم به خوبي مشخص است ولي اين روش تا حدودي پرهزينه است. با به کارگيري فناوري‌نانو مي‌توان تعداد اتم‌هاي در تماس با مولکول‌هاي TCEو در نتيجه کارايي اين کاتاليست را چندين برابر کاتاليست‌هاي رايج افزايش داد. TCE حلال رايج در روغن زدايي از فلزات و قطعات الکترونيکي، يکي از مواد آلي سمي رايج در منابع آب است و در 60 درصد پسماندهاي صنعتي به عنوان آلودگي وجود دارد. تماس آن با بدن باعث صدمه زدن به کبد و بروز سرطان مي‌شود. کاتاليست‌هاي شيميايي نسبت به کاتاليست‌هاي زيستي بسيار سريع‌تر عمل مي‌کنند ولي بسيار گران هستند. يکي از مزيت‌هاي کاتاليست‌هاي پالاديم براي تجزيه TCE اين است که پالاديم، اين ماده را مستقيماً به ماده غيرسمي اتان تبديل مي‌کند. در حالي که کاتاليست‌هاي رايج مانند آهن، آن را به برخي مواد واسطه سمي مانند وينيل‌کلرايد تبديل مي‌کنند.
محققان دانشگاه رايس روش جديدي را توسعه داده‌اند که طي آن نانوبلورهاي تيتانيوم با سطح ويژه بالا (بيش از 250 m2/g براي حذف آروماتيک‌هاي آلي توليد مي‌شوند. اين مواد تحت تابش اشعه فرابنفش، قابليت اکسيداسيون نوري بسياري از مولکول‌ها را پيدا مي‌کنند.
همچنين C60 کاتاليزور نوري بسيار خوبي است که کارايي آن صدها برابر بيش از تيتانياي موجود در بازار است. توليد راديکال آزاد به وسيله C60 متراکم در آب، امکان تجزيه آلاينده‌ها را فراهم مي‌کند
نانو و کاربرد آن در خواص دارويي و درماني
دكتر مرتضي پيرعلي : فناوري نانو يكي از آخرين دستاوردهاي علمي است. طبق بررسي هاي شوراي پژوهش هاي اجتماعي _ اقتصادي انگلستان، فناوري نانو از جمله موارد رو به گسترش و مورد توجه اجتماعي _ اقتصادي است. بحث هايي كم و بيش در زمينه كاربرد اين نوع فناوري چه منتقدانه و يا طرفدارانه وجود دارد. بيشترين اشكالي كه منتقدان در اين زمينه وارد مي كنند، ترس از انباشته شدن كره زمين از وجود موادي است كه ممكن است اين فناوري در پي داشته باشد و به نوعي خطرناك باشد. اما نقطه نظر طرفداران سرسخت اين نوع فناوري بيشتر متوجه تاثير مثبت آن در ارتقاي زندگي، توليدات جديد و توسعه گرانه و توليد محصولات ارزان تر است.
به طور كلي اين فناوري عبارت از كاربرد ذرات در ابعاد نانو است. يك نانومتر، يك ميلياردم متر است. از دو مسير به اين ابعاد مي توان دسترسي پيدا كرد. يك مسير دسترسي از بالا به پايين و ديگري طراحي و ساخت از پايين به بالا است. در نوع اول، ساختارهاي نانو با كمك ابزار و تجهيزات دقيق از خرد كردن ذرات بزرگ تر حاصل مي شوند. در طراحي و ساخت از پايين به بالا كه عموما آن را فناوري مولكولي نيز مي نامند، توليد ساختارها، اتم به اتم و يا مولكول به مولكول توليد و صورت مي گيرند. به عقيده مدير اجرايي موسسه نانوتكنولوژي انگلستان، فناوري نانو ادامه و گسترش روند مينياتوريزه كردن است و به اين طريق توليد مواد، تجهيزات و سامانه هايي با ابعاد نانو انجام مي شود. درحقيقت فناوري نانو به ما امكان ساخت طراحي موادي را مي دهند كه كاملا داراي خواص و اختصاصات جديد هستند.
به بيان ديگر اين نوع فناوري چيزهايي را كه در اختيار داريم با خصوصيات جديد در اختيار قرار مي دهد و يا آنها را از مسيرهاي نويني مي سازد. اما گويا صنايع داروسازي از مدت ها قبل به ساخت ذرات ريز مشغول بوده اند. به نظر پروفسورBuckton، طي سخنراني كه در كنفرانس علوم دارويي انگلستان(BPC)
انجام داد ادعا نمود كه فناوري نانو در داروسازي اصطلاح تازه به كار گرفته شده اي براي فناوري توليد ذرات در اندازه ميكروني(particles Micro) است كه از سال ها قبل تهيه و ساخته مي شده اند. پس چه چيزي در اين بين جديد خواهد بود؟ به عقيده مدير اجرايي موسسه فناوري نانو انگليس، دستيابي و ساخت دستگاه هاي آناليز پيشرفته و ابداع روش هاي آناليز نوين سبب مي شود تا ما بتوانيم رفتار مواد را به دقت مورد شناسايي قرار دهيم و از اين رهگذر بتوانيم آنها را با ظرافت خاصي دستكاري كنيم.
- تغيير در خصوصيات دارويي
كاربرد فناوري نانو در پزشكي تاثيرات مهمي دارد. شركت Elan يكي از شركت هايي است كه از فناوري نانو در تغيير ذرات دارويي استفاده مي كند. اين شركت فرايند آسياب كردن كريستال هاي نانو را در اختيار دارد كه اجازه مي دهد بعد از اين پروسس، ذراتي مانند داروي Sirolimns متعلق به شركت Wyeth كه اجبارا مي بايست در فرمولاسيون محلول خوراكي به كار برند، بهبود يافته و آن را بتوانند به فرم قرص ارايه نمايند. يعني با تهيه ذرات نانو فرم محلول اين ماده به فرم جامد تبديل مي شوند. داروي Sirolimns به عنوان يك تضعيف كننده سيستم ايمني همراه ساير فرآورده هاي دارويي در موارد پيوند اعضا مانند پيوند كليه به كار مي رود. اين شركت مدعي است كه با كاهش سايز ذره سرعت انحلال Sirolimns به مقداري كه بتواند به فرم قرص ارايه شود افزايش مي يابد. از نظر تجاري اين نوع فناوري آسياب نمودن فقط مختص داروهاي با حلاليت بسيار ضعيف است، اما به عقيده اين شركت 40 الي 50 درصد فرآورده هاي جديد (NCE) تقريبا در اين رده قرار مي گيرد. فناوري نانو همچنين در زمينه داروهاي پپتيدي كه عمدتا براي محفوظ ماندن از متابوليسم مي بايست به فرم تزريقي تجويز شوند به كمك آمده است و شرايطي را مي تواند فراهم نمايد تا آنها را بتوان از طريق ساير روش هاي داروسازي ونيز مورد پذيرش بيمار تجويز كرد.
شركت Xstal Bio كه با دانشگاه هاي Glasgow Strathelyde همكاري مي كند، توانسته است كريستال هاي نويني بسازد كه با ذرات پروتئيني پوشش داده شده اند. مدير اجرايي شركت Xstal Bio معتقد است كه اغلب شركت ها، براي تهيه ذرات نانو از مسير خرد كردن ذرات بزرگ تر به ذرات كوچك تر استفاده مي كنند، اما آنها فرايندي را در اختيار دارند كه مستقيما ذرات كوچك از آن تهيه مي شود، بدون آنكه احتياج به فرايند زيادتري داشته باشند. اين فرمولاسيون انسولين استنشاقي را انجام مي دهد. بيماران مي توانند به سادگي با اسپري كردن و تنفس آن، پودر خشك انسولين و يا يك پروتئين ديگري را دريافت كنند. براي اينكه اين راه تجويز به طور موثر در اختيار باشد، ذرات محتوي آن بايد آنقدر ريز باشند تا بتوانند در بخش هاي عمقي مجاري تنفسي نفوذ كنند والبته آنقدر ريز هم نباشد تامبادا پس از مصرف از دهان و بيني خارج شوند. بنابر اين شركت Xstal Bio مسير اثباتي خاصي را پشت سر گذرانده است و هم اكنون اين فرآورده در بيماران تحت آزمايش است. فناوري نانو در زمينه تشخيص ساده بيماري ها، تصويربرداري ها و برآوردسريع از كارايي مصرف دارو در افراد نيز كاربردهايي دارد. به طور كلي اين فناوري در توليد اعضاي مصنوعي، كاشت داروها، استفاده از تشخيص هاي فردي در كنترل آزمايش هاي درون تني و تشخيصي و داروسازي نوين كاربرد دارد. درخصوص آخرين مواردي كه اشاره شد، يعني مونيتورينگ تشخيصي و داروسازي، اين فناوري قادر است ريز وسيله داروهايي بسازد تا پس از كاشتن آن در بدن و كمك آن، سطح خوني مواد بيولوژيك درون بدن دائما تحت كنترل باشد و در صورت نياز مقداري دارو آزاد و ارايه شود.
- ژن درماني
يكي ديگر از كاربردهاي فناوري نانو در زمينه دارو رساني ژن هاست.
Vector هاي موجود، ويروس هاي اصلاح شده روي سيستم ايمني بدن داراي اثراتي هستند، بنابراين تحقيقات روي ساخت، ذرات نانو كه قابليت حمل ژن ها را داشته باشند از موارد مورد نياز مي باشد. ساير روش هاي آزادسازي و دارو رساني به منظور افزايش تاثير دارو و كاهش اثرات جانبي آنها نيز وجود دارند كه مورد تحقيق مي باشند. به طور مثال كاربرد پوشش هايي كه تحت تابش نور فعال مي شوند براي كاربرد داروهاي خاص در استخوان ها به كار گرفته مي شود از اين موارد هستند. اين نوع داروها عمدتا به علت نوع پوشش دادن آنها، غيرمحلول باقي مي مانند و در استخوان ها جذب مي شوند. اين پوشش ها پس از قرار گرفتن در معرض نور و تابش به فرم محلول درآمده و اجازه مي دهند تا دارو به محل اثر خود رسيده و تاثير نمايد. اين تحقيقات همچنين بر روي ذرات مغناطيسي كه به كمك آن بتوان داروها را به محل اصلي هدايت نمود نيز انجام مي شوند. پوشش ذرات غير نانو با پليمرهايي نظير پلي اتيلن گليكول نيز از مواردي است كه به كمك آن داروها را مي توان به محل اصلي هدايت نمود. اين روش سبب مي شود تا اختصاصات دارو تغيير ننمايد و دارو از متابوليسم در كبد درامان باقي بماند. اين راه دارورساني نيز به زودي در درمان در دسترس قرار خواهد گرفت. علي رغم آنكه امروزه ممكن است فناوري نانو در مقايسه با علوم رايج و كاربردي بيشتر از يك عبارت باب روز جلب توجه نكند، اما اصلا نبايد از توانمندي هاي آتي آن غفلت كرد.
- تحليل
مهندسي ذرات و دارو رساني نوين از مهم ترين فصل هاي مشترك دارو رساني با فناوري نانو است، به علت پيشرفت در روندهاي ساخت ذرات و فرمولاسيون هاي دارويي امكان دارو رساني فرآورده هاي جديد كه عمدتا از نوع پپتيدها و پروتئين ها مي باشند امكان پذير شده است. هم راستاي اين پيشرفت ها صنعت ساخت پليمرهاي دارويي امكان تهيه حامل هاي مناسب براي دارو رساني به محل هاي اثر مورد نظر را فراهم كرده است. اميد است با يك بازنگري كلي پيرامون توانمندي هاي موجود در مراكز تحقيقاتي داخلي و امكان سنجي براي انجام پروژه هاي نانو در عرصه دارو رساني بتوان از ظرفيت هاي بالقوه در راستاي كاربردي نمودن فناوري نانو در دارو رساني بهره برداري نمود. متقابلا پژوهشگران نيز مي بايستي با درك مناسب از موقعيت فراهم شده و توجه صنايع دارويي از اين فناوري، خود را به طور علمي و عملي براي ورود در اين عرصه مهيا نمايند و با ارايه دستاوردهاي قابل كاربرد، حفظ اعتمام متقابل سرمايه گذاران و گسترش روز افزون اين رويكرد در بين صنايع دارويي اقدام نمايند.
کاربرد نانوتکنولوژی در ايمني و بهداشت
نانوتکنولوژی به دلیل خصوصیات منحصر به فردي مانند سایز خیلی کوچک آن و نسبت سطح به جرم زیادش به طور بالقوه ای انسانها را در معرض خطرات جدید و رو به رشد قرار می دهد و افزایش مشکلات بهداشتی به خصوص برای کارگران دارد. (نانوتكنولوژي) توليد كارآمد مواد و دستگاهها و سيستمها با كنترل ماده در مقياس طولي نانومتر، و بهره برداري از خواص و پديده هاي نوظهوري است كه در مقياس نانو توسعه يافته اند.
گام اخیر در نانوتکنولوژی توسعه دادن وسایلی است که محققان ایمنی و بهداشت شغلی و قانونگذاران تاکنون در محیط های صنعتی اخیراً از آن غافل بوده اند .
تحقیقات اولیه در مورد اثرات بهداشتی فناوري نانو نشان می دهد که قابلیت ایجاد التهاب ، سرطان ها و و بیماری های شدید ریه را دارد. مقایسات بین نانوتکنولوژی و آزبستوز انجام شده که به طور ویژه ای به بالقوه بودنشان برای دورهای تاخیری طولانی مدت توجه شده است .
به هرحال روش دقیقی که نانوتکنولوژی اثرات بیولوژیکی خود را روی انسان دارد به طور وسیعی ناشناخته است .
قبل از آنکه نیاز به توسعه و ارتقاء استاند ارد ها راهنماها و مقررات مورد ملاحظه قرار گیرد نیاز قابل ملاحظه ای به تحقیق بیشتر در زمینه ی تداخلات ایمنی و بهداشتی این تکنولوژی وجود دارد.
سرمایه گذاری جهانی در زمینه ی تحقیقات نانوتکنولوژی و توسعه ی آن به طور فوق العاده ای افزایش یافته است. سرمایه گذاری اخیر در زمینه ی ارتقاء این صنایع به طور قابل ملاحظه ای مهم تر از هزینه کردن در مورد تحقیق در این زمینه یا خطرات بالقوه ی آن برای انسان هاست .
مثالهای زیادی در مورد نانوتکنولوژی هایی که تاکنون به طور تجاری در دسترس بودند وجود دارد که شامل مواد آرایشی، البسه، مصالح ساختمانی، افزودنی های غذایی، لوازم الکترونیکی و لوازم خانگی می باشند .
قابلیت نانوتکنولوژی به عنوان یک مشکل عمومی روز همانند مواد غذایی تغییر شکل یافته ی ژنتیکی، آزبستوز و تحقیق در زمینه ی سلول های بنیادی در حال افزایش می باشد .
طبق تعریف جوامع علمی مر تبط با نانو تكنولوژي ،یک نانوذره به ذره ای گفته می شود که ابعادی بین یک تا 100 نانومتر داشته باشد. نانو ذرات از طیف وسیعی از مواد ساخته می شوند. نانو ذرات دوده از سال 1900 در لاستیک ها استفاده می شده است تا آنها را سیاه رنگ جلوه دهد. خرده ذرات نانویی طلا ونقره سالها پیش در قرن دهم به پیگمنت هایی رنگی در شیشه های رنگی افزوده شده است. رنگ به ابعاد این ذرات بستگی دارد. نقره سالهای متمادی به عنوان التیام دهنده استفاده می شده است. شیر از میلیونها ذره با ابعاد نانویی کازئین تشکیل شده است. مولکول های شکر یک نانومتر قطر دارند. متداول ترین وپرکاربردترین آنها نانوذرات سرامیکی هستند. با توجه به تعریف نانوذرات ممکن است این ذهنیت بوجود بیاید که این ذرات با چنین ابعادی در هوا معلق خواهند ماند اما در واقع چنین نیست ونیروهای الکترواستاتیکی بین این ذرات، آنها را درکنار هم قرار می دهد.
خواص نانو ذرات:
با توجه به تعریف نانوذرات، یکی از سوال های مهم در تولید مواد نانو این است که آرایش هندسی وپایداری اتم ها با تغییر اندازه ذرات چه تغییری می کند؟
در تكنولوژي نانو اولین اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است.افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند.این ویژگی واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد علاوه براین افزایش سطح ذرات فشار سطحی را تغییر داده ومنجربه تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود
خواص الکترونیکی وشیمیایی :
در نانو تكنولوژي تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و هندسه ذرات روی خواص الکترونیکی ماده هم تاثیر گذار است وقتی اندازه ذرات کاهش می یابد پیوند های الکتریکی در فلزات ظریف تر می شوند جالب است که بپرسیم در چه اندازه دانه ای یک ذره فلزی شبیه یک توده فلز رفتار می کند؟ آیا این تغییر در خواص به تدریج رخ می دهد یا به طور ناگهانی ؟ پاسخ به این سوالات هم ازنظر آزمایشگاهی وهم تئوری مشکل است.
کمیت الکترونیکی که راحت تر دردسترس می باشد پتانسیل یونیزاسیون است مطالعات نشان داده اند که پتانسیل یونیزاسیون در اندازه دانه های کوچک (ذرات ریزتر) بیشتر است یعنی با افزایش اندازه ذرات پتانسیل یونیزاسیون آنها کاهش می یابد افزایش نسبت سطح به حجم وتغیرات در هندسه وساختار الکترونیکی تاثیر شدیدی روی فعل وانفعالات شیمیایی ماده می گذارد و برای مثال فعالیت ذرات کوچک با تغییر در تعداد اتم ها(ودرنتیجه اندازه ذرات) تغییر می کند .
خواص سطحی
در فن آوري نانو خواص دیگری مثل نسبت سطح به حجم و انرژی پتانسیل در مقیاس نانو به طور چشمگیری افزایش می یابند که در قابلیت های محصولات تاثیر بسزایی دارد.
ویسکوزیته در مقیاس نانو
آب در مقیاس نانو آب روانی نیست که ما در مقیاس های بزرگ استفاده می کنیم. اشیاء کوچک درآب با ماده چسبنده ای مثل عسل یا آب قند احاطه شده اند. خواص سیالات در مقیاس نانو در ویسگوزیته برجسته می گردد حجم سیالی که مسیر مشخص را در زمان تعیین شده طی می کند درست مثل ویسمزیته تغییر می کند اگر این سرعت را با v نشان دهیم اندازه حرکت (حاصل ضرب جرم در سرعت ) را با p نمایش دهیم و A هم مساحت سطح باشد.µ ویسکزیته مایع است هرچه عدد رینولد کوچکتر باشد تاثیر ویسکوزیته بیشتر است بنابراین یک باکنری که یک میلیون بارکوچکتر از یک انسان است باکتری آب را یک میلیون بار از ما ویسکوزتر می بابد[4].
dt/dt ≈ qa2v2= اینرسی نیرو
F= µav نیروی ویسکوزی
Re= qav/µ=Force/F عددرینولد
خواص مغناطیسی
در نانو تكنولوژي پیچیده ترین تاثیر اندازه ذرات تاثیر بر خواص مغناطیسی ماده است. یک ماده توده ای فرومغناطیس با حوزه های مغناطیسی که هر کدام حاوی هزاران اتم هستند، شناخته می شود. در یک حوزه مغناطیسی جهت چرخش الکترون ها یکسان است، اما حوزه های مغناطیسی متفاوت، جهات چرخش متفاوتی دارند. تغییر فاز مغناطیسی وقتی رخ می دهد که یک میدان مغناطیسی بزرگ، تمام حوزه های مغناطیسی را یک جهت کند. به عنوان مثال در مورد نانو ذرات ، حوزه های مغناطیسی مشخصی دیده نمی شود. بنابراین تصور می شود که در این موادسیستم های ساده تری وجود خواهد داشت اما در حقیقت چیزی برعکس این موضوع وجود دارد.ذرات مغناطیسی کوچک و حتی جامدات غیر مغناطیسی با اندازه دانه کوچک ، نوع جدیدی از خواص مغناطیسی را نشان می دهند. این خواص متاثر از خاصیت کوانتومی اندازه ذرات است که برای فهمیدن آن، نیاز به مطالعه بسیار است.اندازه ذرات مورد بحث ما، معمولاً کمتر از اندازه حوزه های مغناطیسی در جامدات است بنابراین یک ذره مثل یک اتم مجزا رفتار می کند که گشتاور مغناطیسی بزرگی دارد.
روش های تولید نانو ذرات:
به طور کلی واکنش های شیمیایی برای تولید مواد می تواند در هریک از حالت های جامد، مایع وگاز صورت گیرد. روش متداول برای تولید مواد در جامد آن است که با خردکردن ذرات ، سطح تماس آنها افزایش یافته ودر ادامه جهت افزایش میزان نفوذ اتم ها ویون ها ، این مخلوط در دماهای بالا بیشتر می شود.
در شیمی اصطلاحاً به موادی که واکنش های شیمیایی با آنها آغاز می شود،واکنشگر و موادی که در طی انجام واکنش واکنشگربه آنها تبدیل می شود ،محصول گویند.واکنشگر ها می تواند جامد،مایع یا گاز باشد.به علاوه واکنشگرها یا خود یک عنصر مستقل هستند یا می توانند به صورت ترکیبات چند جزئی باشند. ترکیبات چند جزیی را معمولاً پیش ساز گویند.
روش های بسیاری برای تولید نانو ذرات یا ذرات نانو ساختار توسعه یافته اند که شامل فرایند های حالت بخار، مایع و جامد است.
کاربرد های نانوذرات:
مصارف روزمره
همانطور که در مطالب پيشين مربوط به (نانو تكنولوژي) بيان شد یکی از خواص مهم نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده ازاین خاصیت می توان کاتالیزورهای قدرتمندی را در ابعاد نانومتری تولید نمود.این نانوکاتالیزورها راندمان واکنش های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانوذرات در تولید مواد دیگر می تواند استحکام آنها را افزایش دهد ویا وزن آنها را کم کندومقاومت شیمیایی وحرارتی آنها را بالا ببرد وواکنش انها را در برابر نور وتشعشعات دیگر تغییر دهد.پس اولین کابردی که برای نانو ذرات می توان متصور شد، استفاده از این مواد در تولید نانوکامپوزیت ها ست. با استفاده از نانو ذرات، نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت.اخیراًدر ساخت شیشه های ضدآفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارایی این نوع شیشه ها عمر آنها را نیز چندین برابر نموده است از نانو ذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها، رنگها، لایه های محافظتی جدید وبسیار مقاوم برای شیشه ها وعینک ها(ضدجوش ونشکن) کاشی ها ودر ضد نوشته برای دیوار ها وپوشش های سرامیکی برای افزایش استجکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.قبلاً بحث شد که با کوچک شدن ذرات خواص کلی آنها تغییر می کند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می رسد یکی از خواصی که تحت تاثیر این کوچک شدن اندازه قرار می گیرد تاثیر پذیری از نور وامواج الکترومغناطیسی است با توجه به این موضوع اخیراً چسب هایی از نانو ذرات تولید شده اند که کاربرد های مهمی در اپتوالکتریک وصنایع الکترونیکی دارند ورود نانو ذرات به رنگها یا مواد ساختمانی وزن را کاهش می دهند ودر استفاده از رنگ در هواپیما مصرف سوخت را کاهش می دهد.نانو ذرات نانویی محیط را پاک تر نگه می دارند استفاده از ابزاری که می تواند وضعیت قلب را نشان دهد نانوذرات اکسید تیتانیوم (بی رنگ ) می تواند در کرم های ضد اشعه UV بکار رود.ذراتی مشابه در شیشه آب را دفع می کند و نور خورشید را به کار می برد تا آلودگی را ازبین برد(شیشه های تمیز کننده) در حال حاضر شرکت های زیادی نانو ذرات را به شکل پودر، اسپری وپوشش تولید می کنند که کاربرد های زیادی در قسمت های مختلف اتومومبیل ، راکت های تنیس، عینک های آفتابی ضدخش، پارچه های ضد لک، پنجره های خود تمیز کن وصفحات خورشیدی دارند.
ایمنی و بهداشت
اثرات سمیت و بیولوژیکی:
اطلاعات کمی در مورد اثرات سم شناسی و بیولوژیکی نانوتکنولوژی مخصوصاً شک و شبهاتی در رابطه با راههای بالقوه ی تماس و جابجایی مواد نانو در دفعه ی اول ورود آنها به بدن و پاسخ بدن به مواد نانو وجود دارد. انواع بسیار مختلف ذرات نانو و خصوصیات مختلفشان دسترسی کلی به اثرات سم شناسی آنها را در این مرحله غیر ممکن ساخته است.
مشخص نیست که چگونه خصوصیات مختلف ذرات مثل سطح ناحیه ای، حلالیت، شکل وسطح شیمیایی سمیت ذرات را تحت الشعاع قرار می دهند.
به هر حال یافته های بسیار رایجی هستند که نشان می دهند سایز ذره،سطح ناحیه ای و سطح شیمیایی به عنوان فاکتورهای کلیدی در ایجاد اثرات بهداشتی سوء می باشند.
به دلیل سایز کوچک استثنایی که ذرات نانو دارند قادرند مکانیسم های دفاعی بدن را مسدود کرده و تشکیل ذراتی با سایز بزرگتر بدهد ذرات نانو در مقایسه با ذرات بزرگتر نسبت سطح به جرم بسیار بزرگتری دارند که ممکن است ذرات را قادر به نفوذ به درون سلولهای بدن و تشکیل ساختارهایی متفاوت ودر مقیاسی بزرگتر از آنها بدهد. تماس با ترکیبات نانو به احتمال زیاد از طریق استنشاق انجام می شود اما ممکن است از طریق پوست یا گوارش نیز انجام شود.
مطالعات زیادی نشان داده است که ذرات نانو قادرند از ریه ها به داخل جریان خون عبورکرده و در سایر ارگانهای بدن انتشار یابند مطالعات روی چندین نوع از حیوانات حاکی از آن است که تماس با ترکیبات نانو ممکن است باعث تغیرات پاتولوژیکی ریه از جمله سر طانها، التهاب، فیبروز و مشکلات تنفسی شود.
زمانی که مطالعات روی جوندگان یا کشت سلولی اثرات بهداشتی ناشی از استفاده و یا تماس با ذرات نانو را نشان دهد، که مستقیماً قادر نیستیم این تستها را با خطر تماس شغلی یا به انسان ارتباط بدهیم.
تحقیق بیشتری برای اثرات مزمن بهداشتی ناشی از ذرات نانو لازم شده است .تماس با سطوح پایین برای به دست آوردن اطلاعاتی برای پروسه ی ارزیابی ریسک مفیدترند.
خطر انفجار:
علاوه بر کنترل تماس ذرات نانو با گارگران در محیط کار، خطر دیگری که مورد توجه است خطر ناشی از حریق یا انفجار به دلیل فعالیت کاتالیستی بسیاری از مواد نانو می باشد.
تا کنون کنترل خطرات انفجار یا حریق ثبت نشده است. بعنوان یک پیش احتیاط کنترلهایی را باید در محیط کار به کاربرد که مشابه آن برای مواد مشابه در سطح ماکرو استفاده خواهد شد.
تماس شغلی :
این موضوع حائز اهمیت است که بدانیم و قادر به ارزیابی تماس به منظور ارزیابی اینکه آیا مواد نانو به عنوان یک خطر ایمنی و بهداشت شغلی مطرح هستند.
فعالیت هایی که مواد نانو را در فاز گازی تولید می کنند یا استفاده یا تولید مواد نانو نانو به فرم پودرها یا محلولها را دارند در معرض بزرگترین خطر تماس شغلی با ذرات نانو می باشند.
اگرچه تولید ذرات نانو به طور خاصی در سیستم های بسته انجام می شود، باز خطر تماس به آنها به انواع کنترل های موجود در محل بستگی دارد. بسیاری از روشهای محیط کار که ممکن است منجربه تماس با نانو ها شوند شامل کار با مواد نانو به صورت مایع بدون حفاظت کافی و نظافت سیستمهای جمع آوری گردوغبارهایی که برای گیرانداختن ذرات نانو استفاده می شود. افرادی که به تجارت مواد نانو مشغولند و فعالیت های کاری که ریسک بالایی از تماس با ذرات نانو دارند شامل حمل ونقل، نظافت، نگهداری روتین وسایل، مرتب کردن، ذخیره داخل مخازن وتوزیع کننده ها، به علاوه استفاده توسط مصرف کنندگان نهایی برای اهداف صنعتی.
نتیجه گیری:
تحقیق اولیه در مورد مفاهیم و معانی ایمنی و بهداشت شغلی نانوتکنولوژی نشان می دهد که این تکنولوژی نیازمند توجه و تحقیق بیشتری می باشد بویژه وجود نانوذرات در آلاینده های هوای محیط کار که می تواند سلامتی کارگران را تحت اشعاع قرار دهد.
کاربرد نانوتكنولوژي در صنعت نفت
فناوري نانو مي¬تواند اثرات قابل توجهي در صنعت نفت داشته باشد، در مطلب زير بعد از اشاره به برخي از اين تأثيرات، تعدادي از كاربردهاي فناوري نانو در صنعت نفت بويژه در بحث آلودگي محيط زيست و نيز سنسورهاي نانو به طور مختصر معرفي گرديده است:
هنگامي كه ريچارد اسملي ( Richard Smally ) برندة جايزة نوبل، بالك مينسترفلورسنس را در سال 1985 در دانشگاه رايس كشف نمود،‌ انتظار اندكي داشت كه تحقيق او بتواند صنعت نفت را متأثر سازد. سازمان انرژي آمريكا ( DOE ) سرمايه‌گذاري خود را در قسمت فناوري نانو با 62 درصد افزايش داد تا مطالعات لازم در زمينة‌ موادي با نام‌هاي باكي‌بال‌ها ( Bulky Balls ) و باكي‌تيوب‌ها ( Bulky Tubes ) استوانه‌هاي كربني كه داراي قطر متر مي‌باشند صورت گيرد. نانولوله‌هاي كربني با وزني در حدود وزن فولاد، صد برابر مستحكم ¬ تر از آن بوده، داراي رسانش الكتريكي معادل با مس و رساني گرمايي هم ارز با الماس مي‌باشند. نانوفيلترها مي‌توانند به جداسازي مواد در ميدان‌هاي نفتي كمك كنند و كاتاليست‌هاي نانو مي‌توانند تأثير چندين ميليارد دلاري در فرآيند پالايش به‌دنبال داشته باشند. از ساير مزاياي نانولوله‌هاي كربني مي‌توان به كاربرد آن‌ها در تكنولوژي اطلاعات ( IT ) نظير ساخت پوشش‌هاي مقاوم در مقابل تداخل‌هاي الكترومغناطيسي، صفحه‌هاي نمايش مسطح، مواد مركب جديد و تجهيزات الكترونيكي با كارآيي زياد اشاره نمود.
علم نانو يك تحول بزرگ در مقياس بسيار كوچك
بسياري از محققان و سياستمداران جهان معتقدند كه علم نانو مي‌تواند تحولات اساسي در صنعت جهاني ايجاد نمايد صنعت نفت نيز از پيشرفت اين تكنولوژي بهره‌مند خواهد گشت.
علم نانو مي‌تواند به بهبود توليد نفت و گاز با تسهيل جدايش نفت وگاز در داخل مخزن كمك نمايد. اين كار با درك بهتر فرآيندها در سطوح مولكولي امكانپذير مي‌باشد.
با توجه به اينكه نانو مربوط به ابعادي در حدود متر مي‌باشد، نانوتكنولوژي به مفهوم ساخت مواد و ساختارهاي جديد توسط مولكول‌ها و اتم‌ها در اين مقياس مي‌باشد.
خوشبختانه كاربردهاي عملي نانو در صنعت نفت جايگاه‌ ويژه‌اي دارند. نانوتكنولوژي ديدگاه‌هاي جديد جهت استخراج بهبوديافتة نفت فراهم كرده است. اين تكنولوژي به جدايش موثرتر نفت و آب كمك مي‌كند . با افزودن موادي در مقياس نانو به مخزن مي‌توان نفت بيشتري آزاد نمود. همچنين مي‌توان با گسترش تكنيك‌هاي اندازه‌گيري توسط سنسورهاي كوچك،‌ اطلاعات بهتري دربارة مخزن بدست آورد.
صنعت نفت تقريباً در تمام فرآيندها احتياج به موادي مستحكم و مطمئن دارد. با ساخت موادي در مقياس نانو مي‌توان تجهيزاتي سبكتر، مقاومتر و محكم‌تر از محصولات امروزي توليد نمود. شركت نانوتكنولوژي GP در هنگ‌كنگ يكي از پيشگامان توسعة كربيد سيليكون، يك پودر سراميكي در ابعاد نانو مي‌باشد.
با استفاده از اين پودرها مي‌توان مواد بسيار سختي توليد نمود. اين شركت در حال حاضر مشغول مطالعه و تحقيق بر روي ساير مواد مركب مي‌باشد و معتقد است كه مي‌توان با نانوكريستال‌ها تجهيزات حفاري بادوامتر و مستحكم‌تري توليد كرد. همچنين متخصصان اين شركت يك سيال جديد حاوي ذرات و نانوپودرهاي بسيار ريز توليد نموده‌اند كه به‌طور قابل توجهي سرعت حفاري را بهبود مي‌بخشد. اين مخلوط آسيب‌هاي وارده به ديوارة مخزن در چاه را حذف نموده و قابليت استخراج نفت را افزايش مي‌بخشد.
آلودگي توسط مواد شيميايي و يا گازهاي آلاينده يك مبحث بسيار دشوار در توليد نفت و گاز مي‌باشد. نتايج بدست‌آمده از تحقيقات دانشمندان حاكي از آن است كه نانوتكنولوژي مي‌تواند تا حد مطلوبي به كاهش آلودگي كمك كند. در حال حاضر فيلترها و ذراتي با ساختار نانو در حال توسعه مي‌باشند كه مي‌توانند تركيبات آلي را از بخار نفت جدا سازند. اين نمونه‌ها عليرغم اينكه اندازه‌اي در حدود چند نانومتر دارند، داراي سطح بيروني وسيعي بوده و قادر به كنترل نوع سيال گذرنده از خود مي‌باشند. همچنين كاتاليست‌هايي با ساختار نانو جهت تسهيل در جداسازي سولفيد هيدروژن، آب، مونوكسيدكربن، و دي‌اكسيد كربن از گاز‌طبيعي در صنعت نفت بكار گرفته مي‌شوند. در حال حاضر مطالعاتي بر روي نمونه‌هايي از خاك رس در ابعاد نانو و جهت تركيب با پليمرهايي صورت مي‌پذيرد كه بتوانند هيدروكربن‌ها را جذب نمايند. بنابراين مي‌توان باقيمانده‌هاي نفت را از گل حفاري جدا نمود.
سنسورهاي هيدروژن خود تميز كننده
خواص فوتوكاتاليستي نانوتيوب‌هاي تيتانيا در مقايسه با هر فرمي از تيتانيا بارزتر مي‌باشد، بطوري‌كه آلودگي‌هاي ايجادشده تحت تابش اشعة ماوراء بنفش به‌طور قابل توجهي از بين مي‌روند. تا اينكه سنسورها بتوانند حساسيت اصلي خود نسبت به هيدروژن را حفظ نمايد. تحقيقات انجام‌گرفته در اين زمينه حاكي از آن است كه نانوتيوب‌هاي تيتانيا داراي يك مقاومت الكتريكي برگشت‌پذير مي‌باشند، بطوري‌كه اگر هزار قطعه از آن‌ها در مقابل يك ميليون‌ اتم هيدروژن قرار بگيرند، مقاومت الكتريكي آن در حدود يكصد ميليون درصد افزايش مي‌يابد.
سنسورهاي هيدروژن بطور گسترده‌اي در صنايع شيميايي، نفت و نيمه‌رساناها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از آنها جهت شناسايي انواع خاصي از باكتري‌هاي عفونت‌زا استفاده مي‌گردد. به‌ هر حال محيط‌هايي نظير تأسيسات و پالايشگاه‌هاي نفتي كه سنسورهاي هيدروژن از كاربردهاي ويژه‌اي برخوردار مي‌باشند، مي‌توانند بسيار آلوده و كثيف باشند اين سنسورهاي هيدروژن نانوتيوب‌هاي تيتانيا هستند كه توسط يك لاية غيرپيوسته‌اي از پالاديم پوشانده شده‌اند. محققان اين سنسورها را به مواد مختلفي نظير اسيد استريك ( يك نوع اسيد چرب )‌، دود سيگار و روغن‌هاي مختلفي آلوده نمودند و سپس مشاهده كردند كه تمام اين آلوده‌كننده‌ها در اثر خاصيت فوتوكاتاليستي نانوتيوب‌ها از بين مي‌روند. حد نهايي آلودگي‌ها زماني بود كه دانشمندان اين سنسورها را در روغن‌هاي مختلفي غوطه‌ور ساخته و سنسورها توانستند خواص خود را بازيابند. محققان سنسورها را در دماي اتاق به مقدار هزار قطعه در مقابل يك ميليون ‌اتم هيدروژن در معرض اين گاز قرار دادند و مشاهده نمودند كه در طرح‌هاي اولية سنسور مقاومت الكتريكي آن به ميزان 175000 درصد تغيير مي‌كند. سپس سنسورها را توسط لايه‌اي به ضخامت چندين ميكرون از روغن موتور پوشاندند تا بطور كلي حساسيت آن‌ها نسبت به هيدروژن از بين برود. سپس اين سنسورها را در هواي عادي به ‌مدت 10 ساعت در معرض نور ماوراء بنفش قرار دادند و پس از يك ساعت مشاهده نمودند كه سنسورها مقدار قابل توجهي از حساسيت خود را بدست آورده‌ و پس از گذشت 10 ساعت تقريباً بطور كامل به وضعيت عادي خود بازگشتند.
عليرغم قابليت بازگشتي بسيار مناسب اين سنسورها نمي‌توانند پس از آلودگي به انواع خاصي از آلوده‌كننده‌ها حساسيت خود را باز يابند براي مثال روغن WQ -40 به علت دارابودن مقداري نمك خاصيت فوتوكاتالسيتي نانوتيوب‌ها را تا حد زيادي از بين مي‌برد.
با افزودن مقدار اندكي از فلزات مختلف نظير قلع، طلا، نقره، مس و نايوبيم، يك گروه متنوعي از سنسورهاي شيميايي بدست مي‌آيند. اين فلزات خاصيت فوتوكاتاليستي نانوتيوب‌هاي تيتانيا را تغيير مي‌دهند. به هر حال سنسورها در يك محيط غيرقابل كنترل در دنياي واقعي توسط مواد گوناگوني نظير بخار‌هاي آلي فرار، دودة كربن و بخارهاي نفت و همچنين گرد و غبار آلوده مي‌گردند. قابليت خودپاك‌كنندگي اين سنسورها طول عمر آن‌ها را افزايش و از همه مهمتر خطاي آنها را كاهش مي‌دهد.
سنسورهاي جديد در خدمت بهبود استخراج نفت
براساس آخرين اطلاعات چاپ شده توسط سازمان انرژي آمريكا، استخراج نفت در حدود دو سوم از چاه‌هاي نفت آمريكا اقتصادي نمي‌باشد. با توجه به دما و فشار زياد در محيط‌هاي سخت زيرزميني، سنسورهاي قديمي الكتريكي و الكترونيكي و ساير لوازم اندازه‌گيري قابل اعتماد نمي‌باشند و در نتيجه شركت‌هاي استخراج‌ كنندة‌ نفت در تهية ‌اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج كامل و مؤثر نفت از مخازن با برخي مشكلات مواجه مي‌باشند.
در حال حاضر محققان در آزمايشگاه فوتونيك دانشگاه صنعتي ويرجينيا در حال توسعة يك‌سري سنسورهاي قابل اعتماد و ارزان از فيبرهاي نوري جهت اندازه‌گيري فشار، دما، جريان نفت و امواج آكوستيك در چاه‌هاي نفت مي‌باشند. اين سنسورها به‌علت مزايايي نظير اندازة كوچك ،‌ايمني در قبال تداخل الكترومغناطيسي ، قابليت كارآيي در فشار و دماي بالا و همچنين محيط‌هاي دشوار، مورد توجه بسيار قرار گرفته‌اند. از همه مهم‌تر اينكه امكان جايگزيني و تعويض اين سنسورها بدون دخالت در فرآيند توليد نفت و باهزينة‌ مناسب فراهم مي‌باشد. در حال حاضر عمل جايگزيني و تعويض سنسورهاي قديمي در چاه‌هاي نفت ميليون‌ها دلار هزينه در پي دارد. سنسورهاي جديد از نظر توليد بسيار مقرون ‌به صرفه بوده و اندازه‌گيري‌هاي دقيق‌تري ارائه مي‌دهند.
انتظار مي‌رود كه تكنولوژي اين سنسورها توليد نفت را با ارائه اندازه‌گيري‌هاي دقيق و قابل اعتماد و كاهش ريسك‌هاي همراه با اكتشاف و حفاري نفت بهبود بخشد. همچنين سنسورهاي جديد به‌علت برخي كاربردهاي ويژه نظير استخراج دريايي و افقي نفت، جايي كه بكاربستن سنسورهاي قديمي در چنين شرايطي بسيار مشكل مي‌باشد، از توجه ويژه‌اي برخوردارند.
(نانو تكنولوژي) تبديل نفت خام و نفت سنگين به نفت سبك
شايد زماني كه از (نانو تكنولوژي) به عنوان يك تكنولوژي نوين نام برده مي شد كه مي تواند راه حل هاي جديدي براي مسائل علوم مختلف ارائه نمايد، نمي توانستيم به روشني اين مفهوم را درك نماييم. اكثرآ افراد جامعه (نانو تكنولوژي) را ساختن اشياء در ابعاد كوچكتر مي دانستند اما اكنون بعد از گذشت چند سال مفهوم نانو براي افراد ملموس تر خواهد بود. اينكه مي توانيم توسط تكنولوژي نانو بسياري از مشكلات روزمره بشر را حل كنيم.
امروز باعث افتخار من است كه بالاخره سرمايه گذاري ايران در نانو تكنولوژي و پيشگامي دولت ايران در حمايت از دوستداران پيشرفت و انديشمندان ايران زمين نتيجه داد و محققان ايراني توانستند گامي بزرگ را در صنايع نفت بردارند.
مهندس سيد جواد احمد پناه مدير پروژه هيدروكانورژن هاي پژوهشگاه صنعت نفت توانست «فرآيند صنعتي هيدروكانورژن» را بصورت بين المللي به ثبت برساند. توسط اين فرآيند مي توان نفت خام و ته مانده هاي نفت سنگين را به نفت سبك تبديل نمود. به بيان ساده تر اينك با هزينه 2 دلار در هر بشكه مي توان يك بشكه نفت 30 دلاري را به يك بشكه نفت 60 دلاري تبديل نمود. اين فرآيند يك انقلاب در صنعت نفت به شمار مي رود كه با افتخار مي توان آنرا حاصل زحمات چندين مهندس ايراني دانست. حال اينكه اين موضوع چه ارتباطي با (نانو تكنولوژي) دارد را در ادامه توضيح خواهيم داد.
بهتر است ابتدا مروري كوتاه داشته باشيم بر فرآيند پالايش نفت و سپس به فرآيند جديدي كه توسط نانو تكنولوژي صورت پذيرفته است خواهيم پرداخت.
فرآيند پالايش نفت:
1. تفكيك
2. فرآيند هاي تبديلي. اين فرآيند ها اندازه و ساختار مولكولي هيدرو كربن ها را تغيير ميدهند.
¬الف. تجزيه (تقسيم)
ب. همسان‌سازي (تركيب)
ج. جايگزيني (نو آرائي)

 

3. فرآيند هاي عمل آوري
4. تنظيم و اختلاط
همانطور كه مي بينيد تجزيه يكي از قسمت هاي فرآيند هاي تبديلي است. هيدروكراكينگ، شكست كاتاليستي و شكست گرمايي كارهايي هستند كه در مرحله تجزيه صورت مي پذيرند.
هيدروكراكينگ يك فرآيند دو مرحله‌اي شامل كراكينگ كاتاليستي و هيدروژنا‌سيون مي‌باشد كه در طي اين مراحل خوراك ورودي، در حضور هيدروژن به محصولات با ارزش افزودة بيشتر شكسته مي‌شود. اين فرايند در فشار و دماي بالا و با حضور كاتاليست و هيدروژن انجام مي‌شود.
هيدروكراكينگ براي خوراك‌هايي مورد استفاده واقع مي‌شود كه فرايندهاي كراكينگ كاتاليستي يا تبديل كاتاليستي در مورد آن‌ها به سختي انجام مي‌گيرد مانند نفت خامي كه غني از آروماتيك‌هاي پلي‌سيكليك بوده يا حاوي غلظت‌هاي بالاي تركيبات گوگرد و نيتروژن كه مسموم‌كننده كاتاليست‌ها هستند، ميباشد.
پيش تر در وب سايت ستاد نانو تكنولوژي ايران خوانده بودم كه در هيدروكراكينگ بطور معمول از كاتاليست‌هاي آلومينا، زئوليت‌ها و پلاتين استفاده مي‌شود، اما به تازگي آقاي فوكوياما براي هيدروكراكينگ يك كاتاليست تازه اختراع نموده است (پلاتين- نيكل- موليبدن روي پايه زئوليتي) كه در هيدرو كراكينگ نفت هاي سنگين مورد استفاده قرار مي گيرد.

به نظر مي رسد كه هيدروكانورژن (هيدروژناسيون+ كراكينگ) كاتاليستي، يك فرآيندي شكست كاتاليستي است كه در آن از يك نانو كاتاليست خاص استفاده مي شود كه باعث تصحيح فرآيند هيدروكراكينگ معمولي مي شود.
1. درصد تبديل بالا (90 درصد)
2. تشكيل نشدن كك
3. كاهش حداقل 60 درصد از گوگرد
4. قابليت بازيابي كاتاليست تا 95 درصد
5. حذف واكنش هاي پليمريزاسيون
6. سادگي عمليات نسبت به روش هاي مشابه
7. انعطاف پذيري بالا نسبت به شدت جريان و تركيبات فلزات و گوگرد
8. توليد بخار مورد نياز واحد از بخش بازيابي كاتاليست
9. ضريب بالاي بازدهي سرمايه و هزينه پايين كاتاليست
10. تميزي واكش از نظر زيست محيطي در مقايسه با روش هاي مشابه
به نظر مي رسد كه اين طرح با توجه به ويژگي هاي منحصر به فردي كه در بالا بيان شد، مي تواند از ارزش افزوده بالايي برخوردار باشد. با يك حساب سر انگشتي اگر روزانه 10000 بشكه نفت سنگين 30 دلاري را با هزينه 2 دلار براي هر بشكه، به بشكه اي 60 دلار تبديل كنيم ارزش افزوده اي معادل روزانه 280000 دلار خواهيم داشت كه بسيار جالب توجه خواهد بود و اقتصادي بودن طرح به جرأت قابل دفاع و تحسين مي باشد.
به نظر مي رسد كه محققان ايراني پاسخ مناسبي به سرمايه گذاري دولت در بخش نانو تكنولوژي داده اند و رسيدن به اهدف برنامه دولت جمهوري اسلامي ايران كه همانا قرار گرفتن كشور ايران در ميان 15 كشور برتر دنيا در زمينه نانو تكنولوژي است روز به روز به واقعيت نزديك مي شود. همانطور كه پيشتر گفته شده است:
«نانو تكنولوژي» تمام آينده است.

 

منابع :
http://www.nanotechnology.blogfa.com/
http://nano.ir/
Physicsir.com
irannano.org
http://www.irche.com/
http://www.iee.org /الف