غذا و کشاورزی و اثر نانوتکنولوژی بر آن

نانوتکنولوژی به سرعت در حال همگرایی به سمت بیوتکنولوژی و تکنولوژی اطلاعات است و بدین صورت موجب تغییر در سیستم های غدایی و کشاورزی نیز می شود. در طی دهه های آتی، اثرات مربوط به همگرایی در مقیاس نانومتری در زمینه ی کشاورزی و غذا می تواند هر چه بیشتر افزایش یابد و منجر به مکانیزم های کشاورزی شود که بر طبق گفته ی برخی از مراجع، انقلابی در زمینه ی کشاورزی می باشد. پیشرفت های مورد انتظار در زمینه ی رمزگشایی DNA محصولات کشاورزی و آنالیز آنها نیز موجب می شود تا بتوان محصولات کشاورزی با بهبود داد و موجب افزایش میزان تولید شد. در واقع نانوتکنولوژی با دستکاری مولکول ها و اتم های موجود در غذا، ابزاری دقیق و با ظرفیت بالا در زمینه ی محصولات غذایی می باشد. غذا و مواد مغذی که در آنها افزودنی های نانومتری وجود دارد، هم اکنون به صورت تجاری موجود می باشند. به همین ترتیب، یک تعداد از آفت کش ها نیز بر اساس مواد نانومتری فرموله شده اند و در بازار موجود می باشند. این مواد در نهایت وارد محیط زیست می شوند. با توجه به گفته ی Helmut Kaiser Consultancy، برخی از شرکت های غذایی فراملیتی، هم اکنون در حال بررسی نانوتکنولوژی هستند و می خواهند محصولاتی بر پایه ی نانو تولید کنند. در این میان، پس از ایالات متحده، ژاپن و چین قرار گرفته اند. HKC پیش بینی کرده است که بازار غذاهای نانویی در سال 2003 در حدود 2.6 میلیارد دلار است. این میزان در سال 2006 برابر 7.0 میلیارد دلار و در سال 2010 برابر با 20.4 میلیارد دلار بوده است.
شرکت هایی که در واقع با محصولات غذایی ارتباطی نداشته اند، هم اکنون در زمره ی تولید کننده های و فروشنده های این محصولات قرار گرفته اند. برای مثال، BASF که در حقیقت تولید کننده ی بسیاری از ویتامین ها و سایر مواد مانند کاروتنوئید ها می باشد، با ترکیب نانوذرات با کاروتنوئیدهای نامحلول، موجب محلول شدن آنها در آب می شود. بسیاری از آب میوه ها و لیمونادها نیز حاوی این افزودنی ها هستند و در واقع بوسیله ی این افزودنی ها، رنگی جذاب در آنها ایجاد می شود.
پیشرفت های مورد انتظار در زمینه ی رمزگشایی DNA محصولات کشاورزی و آنالیز آنها نیز موجب می شود تا بتوان محصولات کشاورزی با بهبود داد و موجب افزایش میزان تولید شد. در واقع نانوتکنولوژی با دستکاری مولکول ها و اتم های موجود در غذا، ابزاری دقیق و با ظرفیت بالا در زمینه ی محصولات غذایی می باشد. ترکیب تحقیقات انجام شده در زمینه ی DNA و نانوتکنولوژی می تواند موجب تولید سیستم های تحویل مواد مغذی جدید شود که به طور دقیق و مؤثر می توانند مواد مغذی را به بخش های مناسب بدن برسانند.
نانوتکنولوژی نه تنها نحوه ی عملکرد زنجیره ی غذایی را تغییر می دهد، بلکه همچنین بخش های درگیر در این زنجیره را نیز تحت تأثیر قرار می دهد. این مسئله ر روی بازار خورده فروشی 3 تریلیون دلاری غذا در دنیا و همچنین زندگی کشاورزان و همه ی ماها، اثرگذار می باشند. تغییر در تکنولوژی می تواند موجب تقویت صنعت بیوتکنولوژی و شیمی آلی شود و موجب اصلاح اتوماتیک محصولات شود.

نانودانه ها

در تایلند، محققین فیزیک هسته ای دانشگاه چیانگ مای، DNA مربوط به برنج را با ایجاد حفرات نانومتری در دیواره ی سلول برنج و وارد کردن اتم های نیتروژن به داخل سلول، تغییر داده اند. تاکنون، آنها قادر به تغییر در رنگ دانه ها از بنفش به سبز رنگ شده اند.

آفت کش های نانوذره ای

Monsanto ، Syngenta و BASF آفت کش هایی توسعه داده اند که در داخل نانوکپسول ها وارد شده اند و یا حاوی نانوذرات می باشند. این آفت کش ها می توانند به سهولت بوسیله ی گیاه دریافت شوند اگر، آنها در شکل نانومتری باشند. آنها می توانند همچنین به گونه ای طراحی شوند که زمان رهایش آنها کنترل شده باشد.

مواد نانومتری برای تغذیه ی طیور

با سرمایه گذاری بخش کشاورزی آمریکا، محققین دانشگاه Clemson در حال بررسی و تولید نانوذرات پلی استایرن بیواکتیو متصل شده به باکتری ها می باشند. این مواد برای تغذیه ی طیور مناسب می باشند. این مواد جایگزینی برای آنتی بیوتیک های شیمیایی در صنعت تولید مرغ خواهد شد.

مواد نانومتری برای تغذیه ی ماهی ها

بزرگترین شرکت های آمریکایی در زمینه ی پرورش ماهی، در حال افزودن واکنش های نانومتری به دریاچه های پرورش ماهی خود می باشند. این واکسن های نانویی بوسیله ی ماهی جذب می شوند.
USDA در حال انجام پروژه ای است که بر طبق آن، زمین های کشاورزی به سنسورهای کوچک وایرلس مجهز می شوند. این سنسورها جایگزینی برای نیروی کار و سیستم مراقبت می باشند.  

غذاهای نانویی

Kraft، Nestlé و Unilever و سایر شرکت ها از نانوتکنولوژی به منظور تغییر ساختار مواد غذایی استفاده کرده اند. این مواد غذایی حاوی نانوکپسول هایی می باشند که می توانند رنگ و رایحه ی مواد غذایی و بستنی را تغییر دهند. برخی شرکت ها نیز از نانوکپسول های بسیار کوچکی استفاده کرده اند که موجب انتقال مواد مغذی به داخل بدن می شوند.

بسته بندی نانویی

BASF، Kraft و سایر شرکت ها مواد نانوتکنولوژیک جدیدی توسعه داده اند که دارای عمر نگهداری بالاتتری می باشند و در زمان فساد، رنگ آنها تغییر می کند.

ایمنی غذایی

محققین دانشگاه Wisconsin به صورت موفقیت آمیز از سلول های باکتریایی منفرد برای تولید مدارهای بیوالکتریکی کوچک، استفاده کرده اند. این مدارها قابلیت تشخیص باکتری ها، مواد سمی و پروتئین ها را دارا می باشند.
نانوسنسورها می توانند از طریق روش های مختلفی مانند استفاده از رنگ های فلئورسنت مختلف یا استفاده از مواد مغناطیسی، تولید شوند. این ماود به صورت انتخابی می توانند پاتوژن های غذایی را تشخیص دهند. سنسورهای دستی که از نور فروسرخ و یا مواد مغناطیسی تولید شده اند، می توانند سپس برای تشخیص پاتوژن های آسیب دهنده، مورد استفاده قرار گیرد. مزیت یک چنین سیستمی، این است که صدها و یا هزاران نانوذره می تواند بر روی یک نانوسنسور منفرد قرار داده شود و بوسیله ی آنها، باکتری ها و پاتوژن های مختلف را تشخیص داد. یک مزیت دیگر از نانوسنسورها، این است که اندازه ی کوچک آنها موجب می شود تا این وسایل را بتوان در بخش های کوچک قرار داد. در این بخش ها قاعدتاً پاتوژن ها مخفی می شوند و بدین صورت نانوتکنولوژی می تواند زمان مورد نیاز برای تشخیص آنها را کاهش دهد.

نیمه رساناها و محاسبه

صنعت کامپیوتر هم اکنون در حال کار در مقیاس نانو می باشند. اگر چه گستره ی تولید کنونی این ادوات در حد 90 نانومتر است، گیت های 5 نانومتری نیز در سطح آزمایشگاهی مشاهده شده اند اگر چه هنوز تولید نشده اند. در سال 2010، حدود 300 میلیارد دلار از تولید نیمه رساناها بر اساس نانوتکنولوژی انجام شده است. این رقم در سال 2015 به حدود 500 میلیارد دلار می رسد. به دلیل اینکه نانوتکنولوژی می تواند موجب کاهش اندازه ی عوارض می شود، CMOS برای مدت های زیادی است که مورد استفاده قرار می گیرد. آینده ی مربوط به این مواد با CMOS آمیخته شده است و ادغام آنها موجب تولید نانووسایل می شود. یک راه حل در مورد مسائل موجود، ایجاد ساختارهای هیبریدی است که از مزیت های تکنولوژی CMOS کنونی و مقیاس گذاری ترانزیستورها استفاده می کند.
در سال 2015، اولویت های مربوط به توسعه ی نیمه رساناها تغییر کرده است. در واقع تمرکز از مقیاس گذاری و سرعت سیستم به سمت معماری سیستم و یکپارچگی حرکت کرده است. روند دیگر در این زمینه، همگرایی میان IT، نانوتکنولوژی، بیوتکنولوژی و علوم تشخیصی می باشد. سرعت بالاتر انتقال اطلاعات می تواند موجب تغییر در نحوه ی کار کامپیوترها شود و همچنین شاید موجب تغییر در نحوه ی برخورد با مشکلاتی همچون اعصاب آسیب دیده شود. این کار با توسعه ی سطوح مشترک میان سیستم عصبی و مدارهای الکتریکی، انجام می شود. به این شاخه از علم، مهدسی نرومورفیک (neuromorphic engineering) می گویند. در این مهندسی، سیگنال ها به صورت مستقیم از اندام انسانی به ماشین انتقال می یابد.
تکنولوژی های واقعی که مورد استفاده قرار می گیرند، به سختی قابل پیش بینی می باشند. هم اکنون، حداقل 4 مانع فنی در زمینه ی تولید نانومقیاس، مشاهده می شود: نحوه ی کنترل مونتاژ سیستم های غیر هموژن سه بعدی شامل بخش های هم تراز، بخش های حک شده و اتصالات در حالت سه بعدی و با عملکردهای چندگانه، از جمله ی این مسائل می باشد.
نحوه ی کار با ساختارهای نانومقیاس در یک شیوه ی سریع و با بازده بالا، بدون سازش با خواص نانومقیاس، مقدور نمی باشد.
نحوه ی انجام آزمون به منظور بررسی قابلیت اطمینان دراز مدت و تشخیص ، حذف و یا جلوگیری از ورود عیوب و ناخالصی ها می باشد. در حال حاظر، استفاده از میکروسکوپ الکترونی موجب می شود تا مسیرهای میدان تشخیص داده شود و این حد رزولیشن کافی فراهم می آورد. آنالیز شکست یکی دیگر از مسائل مترولوژیکی مطرح شده است. در واقع نحوه ی دید سه بعدی واقعی مربوط به ساختارها و عیوبی که ممکن است در طی فرایند و یا استفاده تشخیص داده می شود، مسئله آفرین است.
در حال حاظر، تکنولوژی های پیش گام در این زمینه، عبارتند از: اسپین الکترونیک، الکترونیک مولکولی، اجزای بیولوژیکی، محاسبات کوانتمی، محاسبات DNA و ... . به هر حال، تاریخچه ی این تکنولوژی به ما این درس را می دهد که پیش بینی ها ممکن است به طور کامل غلط از آب در آید. در سال 1998، استفاده های محدودی برای پدیده ی مگنتو رسیستنتی پیش بینی می شد که بوسیله ی IBM پیشنهاد شده بود. اما در طی دو سال، این تکنولوژی جایگزین تمام تکنولوژی های مربوط به دیسک های سخت شد. این تکنولوژی از اسپین الکترونی برای تولید برهمکنش های جدید و ساختار وسایل، استفاده می کنند. به این تکنولوژی اسپین الکترونیک می گویند. اسپین در تمام الکترون ها یافت می شود و دستگاری اسپین در واقع استفاده از نیمه رساناهای حالت جامد متداول و مواد فلزی است بدون آنکه مشکلات مربوط به نانوتیوب ها و یا مولکل ها در آن، مورد توجه قرار گیرد. بسته های اسپینی دارای عمر مفید طولانی هستند و موبیلیته ی آنها در نیمه رساناها بالاست. این مسئله موجب می شود تا این بخش ها در مورد انتقال اطلاعات در پیچ ها، مفید باشند. یک مسئله ی اصلی در اینجا، گرم شدن بخش های مغناطیسی می باشد که موجب تسهیل فرومغناطیس شدن می شود. این وضعیت در واقع وضعیت ضروری برای استفاده از الکترون اسپین است. این سخت است که نیروی فرومغناطیسی و یا جهت آن را کنترل نمود.
با فرض حل شدن مشکلات، کاربردهای مناسبی برای اسپین الکترونیک ایجاد شده است. این مواد شامل MRAM، معماری های حافظه ای غیر فرار و با سرعت بالا و وسایل منطقی مانند ترانزیستورهای اثر میدانی می باشد که در آنها میزان مصرف انرژی پایین تر و سرعت نسبت به ترانزیستورهای معمولی بالاتر است.
چیپ ها هم اکنون در ابعادی در حدود 100 نانومتر کار می کنند اما این ضروری است که ابعاد باز هم کاهش یابد. کوچک سازی موجب بروز مشکلاتی بوسیله ی پدیده های کوانتمی می شود. این پدیده ها شامل پدیده ی تونل زنی از میان موانع بین سیم ها می باشد و بنابراین، یک جایگزین باید برای تکنولوژی ترانزیستور، پیدا شود. در واقع این وسایل باید از علم کوانتم استفاده کنند نه از آن رنج ببرند. اولین نسل از نانوکامپیوترها اجزایی خواهند داشت که بر طبق فیزیک کوانتوم کار می کنند. البته الگوریتم های مورد استفاده در آنها احتمالا از مکانیک کوانتوم پیروی نمی کند. اگر مکانیک کوانتومی بتواند در الگوریتم ها نیز اعمال شود، کامپیوتر قدرتمند تر می شود اما یک چنین تکنولوژی هایی در آینده های دور بوجود می آید.
در همین حال، تحقیقات در زمینه ی دستکاری مولکولی در حال انجام می باشد. در محاسبات شیمیایی، یک سری از واکنش های شیمیایی مثلا واکنش های ایجاد شده در DNA به یک محاسبه وابسته می باشند و محصول واکنش های نهایی، بیان کننده ی پاسخ می باشد. با این روش، بسیاری از محاسبه ها می تواند به صورت موازی انجام شود اما هر یک از مراحل نیازمند زمان طولانی می باشد و هزینه بر نیز می باشند. علت این مسئله، هزینه های مربوط به مواد شیمیایی مورد استفاده می باشد.
یک روش دوم، استفاده از مولکول ها به عنوان میزبان برای اسپین هسته ای می باشد که موجب تشکیل بیت های کوانتمی در یک کامپیوتر بر پایه ی رزونانس مغناطیسی می شود.
به هر حال، این روش ممکن نیست قادر به تجاری سازی باشند و نمی توان تعداد کیوبیت ها را افزایش داد.
بهترین روش در حقیقت روش الکترونیک مولکولی است. در ای نروش از یک مولکول و یا گروهی از مولکول ها در یک مدار، استفاده می شود. دانسیته ی بیت ها برای اجزای مولکولی منطقی و حافظه ها می تواند در حد یک تری بیت بر سانتیمتر مربع باشد. سرعت سوئیچینگ می تواند در گستره ی چند پیکوثانیه باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Opportunities and risks of nanotechnologies/ Report in co-operation with the OECD international futures programme