تعریفی کوتاه از نانو تکنولوژی

تعریفی کوتاه از نانو تکنولوژی

در سال های اخیر، پیشرفت های 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 درک بهتر اندازه های مادون ریز ، قطر موی سر انسان را که یک دهم میلیمتر است در نظر بگیرید ، یک نانومتر صد هزار برابر کوچکتراست . 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 هایی 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 تولیدات تکنولوژیکی 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 درقرن حاضر مسیر عکس را طی می کند . یعنی مواد مادون ریز را باید ترکیب کرد تا دانه های بزرگتر کارآمد به وجود آ ورد
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 موسسات 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 ، دانشمندان این علم 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 کنند . البته منظور این نیست که چند هسته از مواد راپیدا کنند و با رساندن انرژی و خوراک پس از چند سال یک نیروگاه از آن ساخته شود که شهری را برق دهد . بلکه برای ترکیب و تکامل خودکار تولیدات مادون ریزکه به نحوی در مجموعه های بزرگتر مصرف دارد ، راهیابی شود . در اندازه های مادون ریز ، روشها و ابزارآلات متعارف فیزیکی مانند تراشیدن و خم کردن و سوراخ کردن و...جوابگو تیستند .
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 انسانهای آینده 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 اینهمه درد و ناراحتی که اجداد آنها در هزاره های قبل کشیده اند ، متعجب و متاثر خواهند بود .
چه انتظاری باید از نانوتکنولوژی داشت : این تکنولوژی جدید توانایی آن را دارد که تاثیری اساسی بر کشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد . در اینجا به برخی از نمونه های عملی در زمینه نانوتکنولوژی اشاره می شود .
انتظار می رود که مقیاس نانومتر به یک مقیاس با کارایی بالا و ویژگی های منحصربفرد ،محصولاتی ساخته می شود که روش شیمی سنتی پاسخگوی این امر نمی تواند باشد .
• نانوتکنولوژی می تواند باعث گسترش فروش سالانه بسیار زیاد برای صنعت نیمه هادیها و مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آینده شود .
• نانوتکنولوژی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، کیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد .
• تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متکی به نانوتکنولوژی خواهد بود که این امر ، خود میلیونها دلار نقدینگی را به گردش درخواهد آورد .
• کاتالیستهای نانوساختاری در صنایع پتروشیمی دارای کاربردهای فراوانی هستند که پیش بینی شده است این دانش ، سالانه میلیارد ها دلار را طی 10 تا 15 سال آینده تحت تاثیر قرار دهد .
• نانوتکنولوژی موجب توسعه محصولات کشاورزی برای یک جمعیت عظیم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برای تصویه و نمک زدایی آب و بهینه سازی راههای استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیر همچون انرژی خورشیدی ارائه می نماید . بطور مثال استفاده از یک نوع انباره جریان گذرا با الکترودهای نانولوله کربنی که اخیرا آزمایش گردید و از رسانه ها خبر آن را شنیدیم، نشان داد که این روش 10 بار کمتر آب دریا را نمک زدایی می کند .
• انتظار می رود که نانوتکنولوژی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده ها ، محیط زیستی سالمتر را فراهم کند . برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آینده ، روشنایی حاصل از پیشرفت نانوتکنولوژی ،مصرف جهانی انرژی را تا 10 درصد کاهش داده ، باعث صرفه جویی سالانه 100 میلیارد دلار و همچنین کاهش آلودگی هوا به میزان 200 میلیون تن کربن شود.
در چند سال گذشته بازارچند میلیارد دلاری برپایه نانوتکنولوژی کسترش یافته اند . برای مثال در ایالات متحده ، IBM برای هد دیسکهای سخت ، یک سری حسگرهای مغناطیسی را ابداع کرده است .
Eastern Kodak و 3 M تکنولوژی ساخت فیلمهای نازک نانو ساختاری را به وجود آورده اند . شرکت Mobil کاتالیستهای نانو ساختاری را برای دستگاههای شیمیایی تولید کرده است و شرکت Merck ، داروهای نانوذره ای را عرضه کرده است . تویوتا در ژاپن مواد پلیمری تقویت شده نانوذره ای را برای خودروها و Samsung Electronics در کره ، در حال کار بر روی سطح صفحات نمایش توسط نانولوله های کربنی هستند . بشر درست در ابتدای مسیر قرار دارد و فقط چندین محصول تجاری از نانوساختارهای یک بعدی بهره می گیرند ( نانو ذرات ، نانو لوله ها ، نانو لایه و سوپر لاستیکها ) . نظزیات جدید و روشهای مقرون به صرفه تولید نانوساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آینده می باشند.
نانو تکنولوژی یا کاربرد فناوری در مقیاس یک میلیونیم متر، جهان حیرت انگیزی را پیش روی دانشمندان قرار داده است که در تاریخ بشریت نظیری برای آن نمی توان یافت. پیشرفتهای پرشتابی که در این عرصه بوقوع می پیوندد، پیام مهمی را با خود به همراه آورده است: بشر در آستانه دستیابی به توانایی های بی بدیلی برای تغییر محیط پیرامون خویش قرار گرفته است و جهان و جامعه ای که در آینده ای نه چندان دور به مدد این فناوری جدید پدیدار خواهد شد، تفاوت هایی بنیادین با جهان مالوف آدمی در گذشته خواهد داشت.
نانو تکنولوژی نظیر هر فناوری دیگری چونان یک تیغ دولبه است که می توان از آن در مسیر خیر و صلاح و یا نابودی و فنا استفاده به عمل آورد. گام اول در راه بهره گیری از این فناوری شناخت دقیق تر خصوصیات آن و آشنایی با قابلیت های بالقوه ای است که در خود جای داده است. در خصوص نانو تکنولوژی یک نکته را می توان به روشنی و بدون ابهام مورد تاکید قرار داد: این فناوری جدید هنوز، حتی برای متخصصان، شناخته شده نیست و همین امر هاله ابهامی را که آن را در برگرفته ضخیمتر می کند و راه را برای گمانزنی های متنوع هموار می سازد.
کسانی بر این باورند که این فناوری نظیر هیولایی فرانکشتین در داستان مری شلی و یا همانند جعبه پاندورا در اسطوره های یونان باستان، مرگ و نابودی برای ابنای بشر درپی دارد. در مقابل گروهی نیز معتقدند که به مدد توانایی های حاصل از این فناوری می توان عالم را گلستان کرد.
در حال حاضر 450 شرکت تحقیقاتی- تجاری در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، آمریکا و ژاپن با بودجه ای که در مجموع به 4 میلیارد دلار بالغ می شود سرگرم انجام تحقیقات در عرصه نانو تکنولوژی هستند. در این قلمرو اتمها و ذرات رفتاری غیرمتعارف از خود به نمایش می گذارند و از آنجا که کل طبیعت از همین ذرات تشکیل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به یک معنا شناخت بهتر نحوه شکل گیری عالم است. به این ترتیب دانشمندانی که در این قلمرو به کاوش مشغولند، به یک اعتبار با ذهن و ضمیر خالق هستی و نقشه شگفت انگیز او در خلقت عالم آشنایی پیدا می کنند، اما از آنجا که دانایی توانایی به همراه می آورد، شناسایی رازهای هستی می تواند توان فوق العاده ای را در اختیار کاشفان این رازها قرار دهد. تحقیق در قلمرو نانو تکنولوژی از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستین نتایج چشمگیر از رهگذر این تحقیقات عاید گردید.
از جمله آنکه یک گروه از محققان شرکت آی بی ام موفق شدند35 اتم گزنون را بر روی یک صفحه از جنس نیکل جای دهند و با کمک این تک اتمها نامی را بر روی صفحه نیکلی درج کنند. محققان دیگر به بررسی درباره ساختارهای ریز موجود در طبیعت نظیر تار عنکبوت ها و رشته های ابریشم پرداختند تا بتوانند موادی نازک تر و مقاوم تر تولید کنند. در این میان ساخت یک نوع مولکول جدید کربن موسوم به باکمینسترفولرین یا کربن- 60 راه را برای پژوهشهای بعدی هموارتر کرد. محققان با کمک این مولکول که خواص حیرت انگیز آن هنوز در درست بررسی است، لوله های موئینه ای در مقیاس نانو ساخته اند که می تواند برای ایجاد ساختارهای مختلف در تراز یک میلیونیم متر مورد استفاده قرار گیرد. بررسی هایی که در ابعاد نانو بر روی مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه ای را آشکار کرده است. به عنوان مثال ذرات سیلیکن در این ابعاد از خود نور ساطع می کنند و لایه های فولاد در این مقیاس از استحکام بیشتری در قیاس با صفحات بزرگتر این فلز برخوردارند.
برخی شرکتها از هم اکنون بهره برداری از برخی یافته های نانوتکنولوژی را آغاز کرده اند. به عنوان نمونه شرکت آرایشی اورال از مواد نانو در محصولات آرایشی خود استفاده می کند تا بر میزان تاثیر آنها بیفزاید. ساخت دیودهای نوری با استفاده از مواد نانو موجب می شود تا 80درصد در هزینه برق صرفه جویی شود. توپهای تنیسی که با کربن 60 ساخته شده و روانه بازار گردیده سبکتر و مستحکمتر از توپهای عادی است. شرکتهای دیگر با استفاده از مواد نانو پارچه هایی تولید کرده اند که با یک بار تکاندن آنها می توان حالت اتوی اولیه را به آنها بازگرداند و همه چین و چروکهایشان را زایل کرد. با همین یک بار تکان همه گردوخاکی که به این پارچه ها جذب شده اند نیز پاک می شوند. نوارهای زخم بندی هوشمندی با این مواد درست شده که به محض مشاهده نخستین علائم عفونت در مقیاس مولکولی، پزشکان را مطلع می سازند.
از همین نوع مواد همچنین لیوانهایی تولید شده که قابلیت خود- تمیزکردن دارند. لنزها و عدسیهای عینک ساخته شده از جنس مواد نانو ضد خش هستند و یک گروه از محققان تا آنجا پیش رفته اند که درصددند با مواد نانو پوششهای مناسبی تولید کنند که سلولهای حاوی ویروسهای خطرناک نظیر ویروس ایدز را در خود می پوشاند و مانع خروج آنها می شود. مهمترین نکته درباره موقعیت کنونی فناوری نانو آن است که اکنون دانشمندان این توانایی را پیدا کرده اند که در تراز تک اتمها به بهره گیری از آنها بپردازند و این توانایی بالقوه می تواند زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی شود. یک گروه از برجسته ترین محققان در حوزه نانوتکنولوژی بر این اعتقادند که می توان بدون آسیب رساندن به سلولهای حیاتی، در درون آنها به کاوش و تحقیق پرداخت. شیوه های کنونی برای بررسی سلولها بسیار خام و ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در درون سلول اتفاق می افتد ناگزیرند سلولها را از هم بشکافند و در این حال بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانلهای موجود در آن از بین می رود.
یک گروه از محققان که در گروهی موسوم به اتحاد سیستمهای زیستی گرد آمده اند، سرگرم تکمیل ابزارهای ظریفی هستند که هدف آن بررسی اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعی و بدون آسیب رساندن به اجزای درونی سلول یا مداخله در فعالیت بخشهای داخلی آن است. ابزاری که این گروه مشغول ساخت آن هستند ردیف هایی از لوله ها یا سیمهای بسیار ظریفند که قادرند وظایف مختلفی را به انجام برسانند از جمله آنکه هزاران پروتئینی را که به وسیله سلولها ترشح می شود شناسایی کند. گروههای دیگر از محققان نیز به نوبه خود سرگرم تولید دستگاهها و ابزارهای دیگر برای انجام مقاصد علمی دیگر هستند.
به عنوان نمونه یک گروه از محققان سرگرم تکمیل فیبرهای نوری در ابعاد نانو هستند که قادر خواهند بود مولکولهای مورد نظر را شناسایی کنند. گروهی نیز دستگاهی را دردست ساخت دارند که با استفاده از ذرات طلا می تواند پروتئین های معینی را فعال سازد یا از کار بیندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنکه بتوان از سلولها در حین فعالیت واقعی آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، باید شیوه تنظیم آزمایشها را مورد تجدیدنظر اساسی قرار داد. سلولها در فعالیت طبیعی خود امور مختلفی را به انجام می رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده ها میان خود، ردوبدل کردن مواد غذایی و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حیاتی. یک گروه از روش تازه ای موسوم به الگوی انتقال ابر - شبکه استفاده کرده اند که ساخت نیمه هادیهای نانومتری به قطر تنها 8 نانومتر را امکان پذیر می سازد. هریک از این لوله های بسیار ریز بالقوه می توانند یک پادتن خاص یا یک بخش کوچک از رشته دی ان ای بر روی خود جای دهند.
با کمک هر تراشه می توان 1000 آزمایش متفاوت بر روی یک سلول انجام داد. برای دستیابی به موفقیت کامل باید بر برخی از محدودیتها غلبه شود، ازجمله آنکه درحال حاضر برای بررسی سلولها باید آنها را در درون مایعی قرار داد که مصنوعاً محیط زیست طبیعی سلولها را بازسازی می کند، اما یون موجود در این مایع می تواند سنجنده های موئینه را از کار بیندازد. برای رفع مشکل، محققان سلولها را درون مایعی جای می دهند که چگالی یون آن کمتر است. گروههای دیگری از محققان نیز در تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقیاس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع کنند. یکی از این ابزارها چنانکه اشاره شد یک فیبر نوری است که ضخامت نوک آن 40 نانومتر است و بر روی نوک نوعی پادتن جا داده شده که قادر است خود را به مولکول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. این فیبر نوری با استفاده از فیبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شده و بر روی فیبر پوششی از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگیری به عمل آورد. نحوه عمل این فیبر نوری درخور توجه است.
از آنجاکه قطر نوک این فیبر نوری، از طول موج نوری که برای روشن کردن سلول مورد استفاده قرار می گیرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی توانند خود را تا انتهای فیبر برسانند، درعوض در نزدیکی نوک فیبر مجتمع می شوند و یک میدان نوری بوجود می آورند که تنها می تواند مولکولهایی را که در تماس با نوک فیبر قرار می گیرند تحریک کند. به نوک این فیبر نوری یک پادتن متصل است و محققان به این پادتن یک مولکول فلورسان می چسبانند و آنگاه نوک فیبر را به درون یک سلول فرو می کنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولکول فلورسان نوک فیبر، این مولکول را کنار می زند و خود جای آن را می گرد. به این ترتیب نوری که از مولکول فلورسان ساطع می شد از بین می رود و فضای درون سلول تنها با نوری که به وسیله میدان موجود در فیبر نوری بوجود می آید روشن می شود و درنتیجه محققان قادر می شوند یک تک مولکول را در درون سلول مشاهده کنند.
مزیت بزرگ این روش در آن است که باعث مرگ سلول نمی شود و به دانشمندان اجازه می دهد درون سلول را در هنگام فعالیت آن مشاهده کنند. نانو تکنولوژی همچنین به محققان امکان می دهد که بتوانند رویدادهای بسیار نادر یا مولکولهای با چگالی بسیار کم را مشاهده کنند.
به عنوان مثال بلورهای مینیاتوری نیمه هادیهای فلزی در یک فرکانس خاص از خود نور ساطع می کنند و از این نور می توان برای مشخص کردن مجموعه ای از مولکولهای زیستی و الصاق برچسب برای شناسایی آنها استفاده کرد. به نوشته هفته نامه علمی نیچر چاپ انگلستان یک گروه از محققان دانشگاه میشیگان نیز توانسته اند سنجنده خاصی را تکمیل کنند که قادر است حرکت اتمهای روی را در درون سلولها دنبال کند و به دانشمندان در تشخیص نقایص زیست عصبی مدد رساند.
از ابزارهای در مقیاس نانو همچنین می توان برای عرضه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمایشی که بتازگی به انجام رسیده نشان داده شده است که حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو 100برابر بازده عمل را افزایش می دهد. محققان امیدوارند در آینده ای نه چندان دور با استفاده از نانو تکنولوژی موفق شوند امور داخلی هر سلول را تحت کنترل خود درآورند. هم اکنون گامهای بلندی در این زمینه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان می توانند فعالیت پروتئینها و مولکول دی ان ای را در درون سلول کنترل کنند. به این ترتیب نانو تکنولوژی به محققان امکان می دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها یعنی اصلی ترین بخش سازنده بدن جانداران به بهترین وجه کامل سازند.

مواد نانوساختار بالک (1)

مواد نانوساختار بالک (1)
مواد نانوساختار بالک (Bulk Nanostructured Materials)

در این مقاله خواص مواد نانوساختار مورد بحث قرار می گیرد .مواد نانوساختار بالک (توده ای) جامداتی هستند که دارای میکرو ساختار نانو سایز هستند .واحدهای اساسی تشکیل دهنده ی این جامدات، نانوپارتیکل (نانوذرات) هستند. نانو پارتیکل های این مواد می توانند به صورت غیر منظم نسبت به همدیگر قرار گیرند.
در این مواد محورهای تقارن به صورت رندوم جهت گیری کرده اند و موقعیت های فضاییشان تقارنی را نشان نمی دهد. این پارتیکل ها همچنین می توانند آرایش شبکه ای داشته باشند و دارای تقارن باشند.

شکل 1- آ ساختار دو بعدی فرضی از نانو پارتیکل های 12AL را نشان می دهد. این نانو پارتیکل ها دارای شبکه های منظم می باشند.

شکل 1- ب نیز نشان دهنده ی توده ی دو بعدی از نانو ساختار نامنظم این نانو پارتیکل هاست.

1- نانوساختارهای نامنظم جامد(Solid Disorderd Nanostructure)

1-1- روش های تولید(Methods of synthesis)

در این بخش ما در مورد تعدادی از روش های تولید نانو ساختار نامنظم جامد صحبت می کنیم. یکی از این روش ها، روش فشرده سازی و جامد کردن( Compactionand Consolidation) است. به عنوان مثالی از این پروسه بگذارید بر روی نحوه ی بوجود آمدن آلیاژهای نانو ساختار آهن - مس متمرکز شویم. مخلوطی از پودرهای آهن و مس با ترکیب شمیایی fe85 cu15 به مدت 15 ساعت در دمای اتاق آسیاب می شوند. (نوع آسیاب از نوع بال میل است) . ماده ی حاصله سپس بوسیله ی یک قالب ازجنس کاربید تنگستن فشرده می شود(فشار مورد نیاز برای قالب گیری یک گیگا پاسکال( Gfa) و زمان قالب گیری 24 ساعت است) .این توده ی بهم فشرده سپس به مرحله ی فشرده سازی گرم (پرس گرم)، می رود .در آنجا توده در دمای 400 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه پرس می گردد. فشار مورد نیاز برای پرس باید بیش از 870 مگا پاسکال باشد. دانسیته نهایی توده ی متراکم 9902 درصد حداکثر دانستیه ی ممکن است.

شکل2- توزیع اندازه توده متراکم را نشان می دهد. که نشان دهنده ی این مطلب است که نانوپارتیکل های موجود در این گستره ی اندازه ای 20-70 نانومتر هستند .که بیشترین تعداد این ذرات دارای اندازه ی 40 نانومترند.

شکل3- یک منحنی تنش - کرنش برای این نمونه است. مدول یانگ این نمونه که شیب منحنی تنش -کرنش در ناحیه ی خطی است. شبیه به آهن معمولی است. وجود ناحیه ی غیر خطی در این منحنی نشان دهنده ی وجود ناحیه ی انعطاف پذیر پیش از اتفاق افتادن شکست در نمونه است. این مسأله می گوید که در این ناحیه قطعه دارای ازدیاد طول می شود. داده های بدست آمده نشان دهنده ی این مساله است که شکست در تنش 208 گیگا پاسکال رخ می دهد. که این رقم 5 برابر تنش شکست آهن دارای اندازه ی دانه ی بزرگتر است.( این آهن دارای اندازه ی دانه ای در گسترده 150تا 50 میکرومتر است).
اصلاح عالی خواص مکانیکی مواد نانوساختار غیر منظم یکی از خواص مهم این مواد است. نانو سایز کردن اندازه ی دانه های مواد باعث افزایش قابل لمس تنش تسلیم(yield stress) می گردد. که این مسأله دارای کاربردهای زیادی است مثلا از این روش برای تولید مواد محکم تر برای بدنه ی اتومبیل ها استفاده می کنند. دلایل تغییر در خواص مکانیک این مواد نانوساختار در زیر مورد بحث قرار گرفته است. مواد نانوساختار را می توان بوسیله ی انجماد سریع تهیه کرد.

یک روش در شکل 4 نمایش داده شده است که به آن blockmelt spinning ohill می گویند در این روش پیچه های گرم کننده RF(Radiofrequency) برای ذوب کردن یک فلز استفاده شود. پس از ذوب فلز، مذاب از داخل یک نازل خارج می گردد .مذاب پس از خروج از نازل به صورت یک رشته ی مذاب درمی آید. این رشته به طور مداوم بر روی سطح یک غلطت اسپری می گردد.(شرایط تحت یک اتمسفر خنثی انجام می شود). در این پروسه نوارهایی با ضخامت بین 10 تا 100 میکرومتر تولید می شود. پارامترهایی که نانوساختار این رشته ها را کنترل می کند عبارتند از : اندازه ای که نازل، فاصله ی نازل با غلطک، فشار تزریق مذاب و سرعت چرخش غلطک فلزی.
نیاز به مواد سبک و با استحکام بالا باعث شده است که آلیاژهای آلومینیومی توسعه یابند.که در آنها 85-94 درصد آلومینیوم با عناصری دیگر مانند نیکل و ایتریم وجود دارد. این آلیاژها با روش قبل تولید شدند. یک آلیاژ از آلومینیوم - ایتریم- نیکل و آهن تولید شده است.که در آن پارتیکل های آلومینیوم با گستره ی اندازه ای بین 10تا 30 نانومتر در یک زمینه ی آمورف قرارگرفته اند.این آلیاژ می تواند مقاومت کششی بیش از 102 مگاپاسکال از خود نشان دهد.البته مقادیر بالای این آلیاژ دارای عیب می باشد. این عیب شامل نبودن نانوپارتیکل ها در بخش هایی از این آلیاژ است. در روش دیگر برای تولید مواد نانو ساختار که اتومیزاسیون گازی( gas atamization) نامیده می شود، یک باریکه ی گاز خنثی با سرعت زیاد به یک مذاب فلزی برخورد می کند. شما تیک دستگاه اتومیزاسیون گازی در شکل 5 نشان داده شده است.

هنگامی که گاز با فلز برخورد می کند، قطرات فلزی با پراکندگی بالایی تشکیل می شود. گاز باعث می شود انرژی کنتیکی به مذاب انتقال یابد. این روش را می توان برای تولید مقادیر زیاد از پودرهای نانو ساختار استفاده کرد. که از این پودرهای نانو ساختار نیز می توان برای تولید قطعات بالک با روش پرس گرم استفاده کرد.
مواد نانو ساختار را همچنین می توان به روش الکترودیپوزیشن( elect rodeposition) نیز تهیه کرد. برای مثال برای تولید یک صفحه ی نانو ساختار از مس می توان از این روش استفاده کرد. در واقع این صفحه با قرار دادن دو الکترود در محلول الکترولیت مس سولفات و برقراری جریان الکتریکی بین دو الکترود تولید می شود. با برقراری جریان بین دو الکترود یک لایه ی نانو ساختار از مس بر روی الکترود تیتانیم که قطب منفی است، تشکیل می شود. در این روش یک صفحه مسی با ضخامت 2 میلی متر تشکیل می شود.این لایه دارای اندازه ی دانه ی میانگین 27 نانومتر است که استحکام تسلیم(yield Strengh ) آن 119 مگاپاسکال است.

1.2. مکانیزم های شکست در مواد با اندازه ی دانه ی متعارف

برای اینکه بدانیم دانه های نانوسایز چگونه بر روی ساختار بالک مواد تأثیر می گذارد، باید در مورد شکست مکانیکی مواد با اندازه ی دانه ی متعارف بحث کنیم. یک ماده ی ترد قبل از اینکه متحمل ازدیاد طول غیر قابل برگشت شود، می شکند. شکست بدلیل وجود ترک در مواد رخ می دهد.

شکل 6 مثالی از ترک در یک شبکه ی دو بعدی را نشان می دهد.ترک اصولاً ناحیه ای از یک ماده است که درآن بین اتم های مجاور شبکه پیوندی وجود ندارد. اگر یک ماده ی دارای ترک تحت کشش قرارگیرد، ترک بوسیله ی جریان تنش رشد می کند. تنش در محل پیوسته ی انتهایی ترک تمرکز پیدا می کند. این تمرکز تنش به حدی می رسد که ممکن است تنش اعمالی در این ناحیه از حد استحکام پیوند بیشتر می شود و این مسأله باعث شکستن پیوند در انتهای ترک و پیشرفت آن می گردد. سپس ترک تا حدی ادامه می یابد که بوسیله ی تنش های اعمالی بر نمونه اتفاق می افتد. این پروسه ی پیشرفت ترک تا حدی ادامه می یابد که ماده از نقطه ی ترک از هم جدا گردد. یک ترک مکانیزمی را پدید می آورد که بوسیله آن یک نیروی ضعیف خارجی می تواند پیوندهای قوی تر را یک به یک بشکند. این مسأله توضیحی است که می گوید چرا تنش های ایجاد کننده ی شکست عملاً از پیوندهای نگهدارنده ی اتم های ماده درکنار هم، ضعیف ترند.
نوع دیگر از شکست های مکانیکی، گذارتردی به نرمی(brittle -to- ductile transition)است. این پدیده در محلی که منحنی تنش - کرنش از حالت خطی درمی آید اتفاق می افتد( همانگونه که در شکل 3 دیده می شود). در این ناحیه و تا قبل از شکست، مواد به طور بازگشت ناپذیر ازدیاد طول پیدا می کند. پس از گذار تردی به نرمی، ماده حتی پس از برداشتن تنش نیز به طول اولیّه ی خود باز نمی گردد. گذار به نرمی نتیجه ای از نوع دیگری از عیوب شبکه ای است که نابجایی نام دارد. شکل7 یک نابجایی لبه ای را در یک شبکه ی دو بعدی نشان می دهد.

البته علاوه بر این نوع نابجایی نوع دیگری از نابجایی وجود دارد که به آن نابجایی پیچی گویند. نابجایی ها نواحی ذاتی شبکه های کریستالی است که این عیوب موجب انحراف از ساختار منظم اتمی است که باعث بوجود آمدن تعداد زیادی فضای خالی شبکه ای می شود.برخلاف ترک، اتم های موجود در نواحی نابجایی به همدیگر پیوند خورده اند ولی این پیوندها از پیوندهای نواحی معمولی ضعیف ترند. در نواحی نرم، یک سمت شبکه نسبت به سمت دیگر آن حرکت کند. این چرخش در مقطع رخ می دهد در واقع در نواحی وجود نابجایی در مقطع قطعه چرخش رخ می دهد که در واقع پیوندهای موجود در طول نابجایی ضعیف ترند. یک روش افزایش تنش که در گذار تردی به نرمی رخ می دهد این است که در محل های وجود ذرات ریز، تنش حاصل می گردد.
این فرآیند در تولید فولاد سخت شده استفاده می شود. در این نوع فولاد ذرات کاربید آهن در فولاد رسوب داده می شود. ذرات کاربید باعث جلوگیری از حرکت نابجایی ها می شود. در واقع ایجاد رسوب در آلیاژهایی امکان پذیر است که عناصر موجود در آلیاژ دارای حد حلالیت در حالت جامد باشند.
منبع انگلیسی : Introduction to nanotechnology/charles p.poole Jr- Frank.J owns/WILEY

مواد نانوساختار بالک (2)

مواد نانوساختار بالک (2)

مواد نانوساختار بالک (Bulk Nanostructured Materials)

1.3.خواص مکانیکی

مدول یانگ که به آن مدول الاستیک نیز می گویند ضریبی است که نشاندهنده ی خاصیت برجهندگی ماده است. این مدول با بسیاری از خواص مکانیکی ماده در ارتباط است. این ضریب به صورت زیر تعریف می شود :

مدول الاستیک ذاتی مواد نانوساختاری اصولا با مدول مواد بالک دارای دانه های میکروسایز یکسان است.تا اینکه اندازه ی دانه ها بسیار کوچک گردد واین اندازه به زیر 5 نانومتر برسد. مدول الاستیسته (مدول یانگ) فاکتور ارتباط دهنده ی تنش- کرنش است. این مدول شیب منحنی تنش- کرنش درناحیه ی خطی است. مدول یانگ بزرگتر نشان دهنده ی خاصیت الاستیک کمتر است.

شکل 1 نموداری از رابطه ی اندازه ی دانه ها با مدول الاستیک آهن نانو ساختار است.(E= مدول یانگ آهن نانو ساختار E06= مدول یانگ آهن با دانه های متعارف است)
استحکام تسلیم( σy) ماده ی با اندازه دانه ی متعارف با رابطه ی زیر به اندازه ی دانه ها مربوط می شود:

این رابطه به رابطه ی هال - پچ (Hall- petch equation) معروف است.
دراین معادله ( σ) ̥و k ثابت هایی است که برای مواد مختلف متفاوت است. و d قطر میانگین دانه هاست. رابطه ی میان سختی و اندازه ی دانه را نیز می توان با یک معادله ی مشابه تعریف کرد.

شکل 2
رابطه ی تنش تسلیم (σy) آلیاژهای آهن- کبالت ( fe – Co alloys) با جذر معکوس میانگین قطر دانه ها (d^(-1/2)) نشان داده شده است. این نمودار دارای رفتار خطی است که بوسیله ی معادله ی هال – پچ نیز قابل نیز قابل پیش بینی است.اگر فرض کنیم که این معادله برای دانه های نانو سایز نیز صدق می کرد، یک ماده ی بالک با اندازه ی دانه ی 50 نانومتر استحکلام تسلیم برابر با 4014 گیگا پاسکال خواهد داشت.دلیل افزایش استحکام تسلیم با ریز شدن دانه ها این است که هرچه تعداد دانه ها بیشتر شود، مرز دانه ها بیشتر می شود. مرزهای دانه عاملی است برای جلوگیری از حرکت نابجایی ها.
این گمان وجود دارد که احتمال تغییر شکل برپایه ی نابجایی ها در مواد نانوساختار بالک با اندازه ی زیر 30 نانومتر وجود ندارد. که علت آن احتمال کم تحرک نابجایی هاست .آزمایشات انجام شده برروی مواد نانو ساختاری با میکرو سکوپ الکترونی عبوری(TEM) نشان داد که در طی فرآیند دفورمگی این نانو ساختار ها هیچ حرکت نابجایی دیده نشده است.
اکثر مواد نانو ساختار بالک کاملاً ترد هستند.و در تحت کشش از خود نرمی نشان نمی دهند مخصوصاً اگر اندازه دانه هایشان زیر 30 نانومتر باشد دارای ازدیاد طول بسیار کوچکی هستند. برای مثال مس پلی کریستال آنیل شده که دارای دانه های درشت است، بسیار نرم است و ازدیاد طول آن بیش از 60% است .در حالی که وقتی اندازه ی ذرات آن به کمتر از 30نانومتر برسد، ازدیاد طول تسلیم (yield elongation) آن از5 درصد بیشتر نمی شود.
نتایج بدست آمده از آزمایش بر روی نمونه های نانو ساختاری حاصل گشته که ابتدا به صورت پودر بوده اند و سپس پرس شده اند و به صورت نمونه ی بالک با ساختار نانویی درآمده اند. این نمونه ها تنش پس ماند (residual stress) بزرگی دارند و دارای ترک های زیادی هستند. که موجب محدود شدن حرکت نابجایی می گردد. به هرحال ، مس نانوساختاری که به روش الکترو دیپوزیشن تولید می شود. دارای تنش پس ماند نیست و دارای ازدیاد طولی بیش از 30درصد است. (همانگونه که درشکل 3 مشاهده می شود.)

این مسائل نشان دهنده ی اهمیت انتخاب نوع فرآیند تولید است. عموماً نتایج اندازه گیری های بدست آمده بر روی مواد نانوساختار بالک مخلوطی از نتایج دو حالت بالا بوده زیرا این نتایج به طور زیادی به تخلخل و عیوب وابسته اند و تخلخل و عیوب پارمترهایی هستند که به فرآیند تولید وابستگی دارند.

1.4. فیلم های چند لایه ی نانوساختار (Nanostructured Multilayers)

نوع دیگری از نانوساختارهای بالک عبارتند از لایه های نانومتری متناوب از مواد مختلف مانند لایه های متناوب TiN و NbN است. این مواد لایه ای بوسیله ی روش های متنوع فاز بخار(Vapor- phase) مانند رسوب دهی اسپاتر(Sputter deposition) و رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (deposition chemical vapor- phase) تولید می شوند. این لایه ها را همچنین می توان به روش الکترودیپوزیشن نیز تولید کرد( که در بخش 1.1 توضیح داده شد). این مواد دارای دانستیه ی سطح تماس(densities interface area) بسیار بالایی هستند. این مساله بدین معناست که دانستیه ی اتمی بر روی مرز صفحه ای بین دو لایه بسیار بالاست. برای مثال یک سانتیمتر مربع از یک فیلم چند لایه ای به ضخامت یک میکرون که دارای لایه هایی به ضخامت 2 نانومتر است .دارای سطح تماسی (interface area ) برابر 1000 سانتیمتر مربع است.از آنجایی که این ماده دارای دانستیه ای درحدود 6.5 گرم بر سانتیمتر مکعب است، دانستیه ی سطح تماس آن برابر 154 متر مربع برگرم است.این عدد قابل مقایسه با کاتالیزورهای ناهمگن است .ناحیه ی تماس تأثیر بسیاری برروی خواص این مواد دارد. این مواد لایه ای سختی بالایی دارند.(البته این سختی به ضخامت لایه ها بستگی دارد). و دارای مقاومت به سایش خوبی نیز هستند. سختی بوسیله ی سختی سنج ایندنتور دار اندازه گیری می شود. این دستگاه به صورت تجاری وجود دارد ونانو ایند نتور (nanoindentor) نامیده می شود. اساس کار این دستگاه شبیه به سختی سنج های معمولی ولی دقت آن بسیار بالاتر است .در اندازه گیری سختی با این روش از یک ایند نتور هرمی از جنس الماس استفاده می شود. ایند نتور برروی سطح ماده و بار (h) L بر روی آن اعمال می شود. و تغییر ارتفاع ایندنتور اندازه گیری می شود. سختی به صورت زیر تعرف می گردد.

A(h) = مساحت ایندنتور است.
به طور نمونه وار، اندازه گیری های سختی در این روش با استفاده از سرعت اعمال نیروی ثابت مثلا 20 میلی نیوتن بر ثانیه انجام می شود.

شکل 4- نشان دهنده ی نموداری از سختی یک ساختار چند لایه ای نانویی است. این نمودار سختی را بر حسب ضخامت لایه ها نشان داده است.این نمودار سختی را برحسب ضخامت لایه ها کم تر شود و به سمت گستره ی نانومتر برود. سختی نیز افزایش می یابد. تا به ضخامت 30 نانومتر برسد. در ضخامت 30 نانومتر سختی ثابت می شود.این مساله فهمیده شده است که عدم مطابقت ساختارهای کریستالی لایه ها باعث می شود که سختی واقعا بالا رود. ترکیب های TiNو NbN هر دو دارای ساختار کریستالی شبیه به نمک طعام با ثابت های شبکه ی o.4235n برای TiNو o.5151nm برای NbN است. بنابراین عدم تطابق بین این دو ساختار دیده می شود که این مساله باعث می گردد. سختی چند لایه های نانوساختار تولیدی با این دو ترکیب شیمیایی بالا باشد.مواد سخت تر را می توان با انتخاب مواد با عدم تطابق بیشتر (مثلا تفاوت زیاد در مدول برشی) ، تولید کرد. چند لایه هایی که با لایه های متناوب با ساختاری های کریستالی متفاوت ساخته شده باشند دارای سختی بالاتری هستند.در این حالت نابجایی ها با سختی بیشتری از میان لایه ها عبور می کنند پس این مسأله باعث می شود که نرمی لایه ها کمتر شود و بنابراین سختی بالا می رود.

1.5. خواص الکتریکی(electrical properties)

برای اینکه یک مجموعه از نانو پارتیکل ها ایجاد فضایی رسا کننده پارتیکل ها باید در تماس الکتریکی باشند. یک شکل از مواد نانو ساختار بالک که دارای خاصیت رسانایی هستند، موادی هستند که دارای نانو پارتیکل های طلاست. این نانو پارتیکل ها بوسیله ی ملکول های طویل به همدیگر متصل اند.
در واقع این مواد حالت شبکه ای دارند که شبکه ی آن ها ، نانو پارتیکل های طلا را بوسیله ی روش اسپری کردن ایروسول (aerosol spray) در خود جای می دهد.
سپس در یک غبار رقیق از تیول(thiol) مانند دودکان تیول ( c12H25=R(RSH) قرار داده می شود این الکیل تیول ها دارای گروه پایانی SH- در گروهشان هستند. که این گروه می تواند به یک متیل (CH3-) و یک حلقه ی 8-12 واحدی متیلن بچسبد که این قرارگیری فضایی موجب ایجاد دافعه بین حلقه ها می شود پارتیکل های طلایی که به صورت کپسول درآمده اند در حلالهای غیر قطبی مانند هگزان پایدار هستند. به هر حال ، افزودن مقادیر کم از دی تیول( dithiol) به محلول باعث ایجاد شبکه ای سه بعدی می شود که ساختاری خوشه ای دارد. و موجب ته نشست محلول می شود. خوشه های تشکیل شده از پارتیکل ها همچنین می توانند به صورت آنی بر روی صفحات صاف رسوب کنند.
فرآیند تونلینگ ( Tunneling process) یک پدیده ی کوانتو- مکانیکی است که در آن یک الکترون می تواند از میان یک سد انرژی بزرگتر از انرژی جنبشی خود عبور کند. بنابراین ، اگر یک ساندویج ساخته شود که در آن دو بخش فلزی با یک ماده ی عایق از هم جدا شوند(همانگونه که در شکل 5- آ دیده می شود.) پس با ایجاد یک شرایط خاص می توان یک الکترون از یکی از قطعات فلزی به قطعه ی دیگر انتقال داد.

برای اینکه یک الکترون از یک سمت قطعه به سمت دیگر انتقال یابد، باید حالت های الکترونی اشغال نشده بر روی قطعه ی دیگر مهیا گشته باشند. برای دو قطعه ی دیگر مهیا گشته باشند. برای دو قطعه ی فلزی یکسان در دمای صفر کلوین، انرژی فرمی( Fermi energies) در حالت یکسانی است و حالتی مناسب وجود ندارد (همانگونه که در شکل 5-ب نشان داده شده است )

و بنابراین تونلینگ اتفاق نمی افتد. اعمال یک ولتاژ در دو سر این وسیله باعث افزایش انرژی الکتریکی یکی از قطعات فلزی با توجه به قطعه ی دیگر می شود. که این عمل با شیفت دادن حالت فرمی یک بخش نسبت به بخش دیگر اتفاق می افتد.

1.6. خواص دیگر(other properties)

در بحث قبلی ما در مورد تاثیر نانوساختار شدن بر روی خواص الکتریکی و مکانیکی به طور خلاصه صحبت کردیم ولی باید بدانیم که علاوه بر این دو خاصیت، خواص دیگری از ماده نیز وجود دارند که با نانو ساختار شدن ماده تغییر می کنند. برای مثال ،رفتار مغناطیسی مواد فرومغناطیس بالکی که از دانه های نانو سایز تشکیل شده اند از رفتار مغناطیسی همان مواد با دانه های با سایز متعارف کاملا متفاوت است که می توان با بررسی تاثیرات ریز دانه شدن بر روی خاصیت مغناطیسی نسبت به بهبود آن اقدام کرد.
همانگونه که می دانیم واکنش پذیری شیمیایی ذاتی پارتیکل ها به تعداد اتم های موجود در خوشه های اتمی آنها بستگی دارد. این مسئله ممکن است مورد انتظار باشد که چنین رفتاری در مواد بالک تولید شده با دانه های نانوساختار بروز پیداکند. و بتواند امکانی را فراهم کند تا این مواد پوشش های ضد خورندگی و اکسایش بوجود آورند. (مانند تشکیل پوشش سیاه رنگ اکسید نقره برروی فلز نقره) در این زمینه نیز پیشرفت هایی پدید آمده است. این مساله فهمیده شده است که آلیاژ نانوساختار fe_73 b_13 si_9 در دمای بین 200 تا 400 درجه سانتیگراد دارای مقاومت بالایی نسبت به اکسید اسیون است. این ماده شامل خلوطی از پارتیکل های با اندازه های 30 نانومتر از fe( si) وb fe_2 است.
مقاومت بهبود یافته در این ماده به خاطر پیوندهای بین سطحی زیادی است که در این نوع ماده پدید می آید. و همچنین وجود این حقیقت که نفوذ اتمی در مواد نانوساختار سریع تر اتفاق می افتد. در این ماده اتم های سیلسیوم موجود در فاز feSi در مرز دانه های سطح مشترک ها تفکیک می شوند. این اتم ها در مکان هایی تفکیک می شوند که سپس از آنجا می توانند به سطح نمونه نفوذ کنند. سیلسیوم نفوذ کرده در سطح نمونه سپس با اکسیژن هوا واکنش می دهد و ایجاد لایه ای از سیلیس (sio_2) می کند. تشکیل لایه ی سیلیس بر روی نمونه موجب به تاخیر افتادن اکسیداسیون می گردد.
دمای ذوب مواد نانوساختار نیز از اندازه دانه ها تاثیر گرفته است .این مساله دیده شده است که پوشش های ایندیومی دارای نانوپارتیکل های 4 نانومتری دارای نقطه ذوبی است که 110 کلوین پایین تر از مقدار واقعی است.
در فاز ابر رسانایی ، جریان ماکزیممی وجود دارد که یک ماده می تواند آن را عبور دهد و این جریان ، جریان بحرانی نامیده می شود. و با IC نشان داده می شود. هنگامی که جریان عبوری از یک ابر رسانا به مقدار جریان بحرانی برسد، حالت ابر رسانایی از بین می رود. و ماده به حالت اولیه ی خود تبدیل گشته و مقاومت آن به حالت نرمال باز می گردد. این مساله کشف شده است که در ابر رساناهای بالک با ترکیب شیمایی Nb_3 sn کاهش اندازه ی دانه های نمونه می تواند باعث افزایش جریان بحرانی گردد.
خواص جذب نوری مواد نیز یکی دیگر از خواصی است که به اندازه ی دانه ی بستگی دارد. در واقع جذب نور توسط مواد به انتقالهای الکترونی اتفاق افتاده در ماده بستگی دارد که این انتقالات به اندازه ی دانه ها و ریز ساختار بستگی دارد. بر اساس یک قانون ما باید بتوانیم خواص نوری مواد نانوساختار بالک را تعیین کنیم. در ادامه این مقاله به بیان مثال هایی در مورد نحوه ی تاثیر نانو ساختار بر روی خواص نوری مواد بحث می کنیم.

1.7. شیشه های مرکب فلز- نانو کلا ستر

یکی از قدیمی ترین کاربردهای نانو تکنولوژی پنجره های دارای شیشه کاری منقوش رنگی است. این پنجره ها در کلیسای جامع کاتولیک ها ( Medieval cathedrals) قرار دارد. این پنجره ها نتیجه ی قرارگیری ذرات فلزی در زمینه ای شیشه ای ایجاد شده اند. شیشه های حاوی غلظت های پایین از نانو کلاسترها، خواص نوری غیر عادی متنوعی ایجاد می کنند و پتانسیل کاربردی فراوانی دارند(نانو کلاسترهای موجود در این شیشه ها باید پراکندگی مناسبی داشته باشند). اگر از این شیشه ها آزمون xrd بگیریم، نمودار جذب بر حسب طول موج دارای یک پیک بزرگ و منحنی شکل است.
این پیک که تنها پیک مشخص این نمودار است بر روی رنگ حاصل از نانوذرات تاثیر می گذارد. البته محل این پیک نیز به اندازه ی نانو ذرات بستگی دارد. هنگامی که اندازه ی نانو ذرات کوچکتر شوند پیک نمودار جذب به سمت طول موج های کوچکتر حرکت می کند. رنگ بوجود آمده در این شیشه ها به دلیل جذب پلاسما در نانو ذرات فلزی است .در فرکانس های خیلی بالا ، الکترون های رسانش در فلز مانند یک پلاسما رفتار می کنند. که این پدیده شبیه یک گاز یونیزه شده طبیعی است که به صورت الکتریکی یونیزه شده باشد. (در این گازها بارهای منفی، الکترون های متحرک هستند و بارهای مثبت در اتم ها مستقر هستند.)
روش ابتدایی برای تولید شیشه های مرکب فلز- نانو کلاستر بدین گونه بود که مخلوطی از ذرات فلزی بداخل شیشه ی مذاب فرستاده می شد. به هر حال، کنترل خواص در این روش مشکل بود. مثلاً ممکن بود که ذرات فلزی وارد شده به صورت توده درآیند .روش های با قابلیت کنترل بیشتر مانند روش القای یونی (Ion Implantation) نیز توسعه یافته اند. اساساً شیشه ها در این روش در معرض یک شعاع یونی قرار می گیرند. این شعاع یونی دارای یون های فلزی است که در داخل شیشه القا می شوند. روش تبادل یونی نیز برای ایجاد ذرات فلزی در شیشه استفاده می شود. در روش تبادل یونی، یون های تک ظرفیتی مانند سدیم که در سطح شیشه وجود دارند، با یون های دیگر مانند نقره جایگزین می شوند. نمونه های شیشه ای در داخل حمام مذاب نمک قرار می گیرند.این حمام مجهز به دو الکترود مثبت و منفی است. که از سمت الکترود مثبت یون های فلزی مورد نظر وارد بدنه و از سمت الکترود منفی یون های سدیم خارج می گردند.

1.8.سیلیکون متخلخل( porous silicon)

هنگامی که یک ویفر سیلیکونی تحت اچ شیمیایی قرار می گیرد، متخلخل می شود شکل 6 تصویر یک سطح سیلیکونی متخلخل است که بوسیله ی میکروسکوپ الکترونی رویشی (SEM) گرفته شده است.

نقاط تیره رنگ نشان دهنده ی تخلخل های میکرومتری است . این سیلیکون ، سیلیکون متخلخل (Posi)نامیده می شود با کنترل شرایط شکل گیری ، می توان ابعاد تخلخل ها را در حد گستره ی نانومتر ایجاد کرد علاقه به تحقیقات بر روی سیلیکون متخلخل در سال 1990 با کشف خاصیت فلئورسنت آن افزایش یافت. پدیده ی نورافشانی به جذب انرژی بوسیله ی ماده و نشر در محدوده ی نور مرئی و یا نزدیک به آن مربوط می شود. اگر نشر در مدت 〖 10〗^(-8) ثانیه تحریک اتفاق افتد. این فرآیند فلئورسانس( Flurescence) گویند.
سیلیکون نانو متخلخل فلئورسانس ضعیفی در ناحیه ی گاف نواری بین 0.96 تا 102 الکترون ولت دارد .از سیلیکون متخلخل برای تولید وسایل نمایشگر و اجزای مزدوج اپتو الکترونیک (elements optoelectronic coupled) کاربرد دارند.

شکل 7 شماتیک یک روش اچ کردن سیلیکون نشان داده شده است .سیلیکون بر روی یک فلز مانند آلومینیوم رسوب می کند. جنس اجزای این وسیله از پلی اتیلن یا تفلون است که با اسید فلئوریک ( محلول اچ) واکنش ندهند.
بین ویفر سیلیکونی و الکترود پلاتینی دستگاه یک ولتاژ برقرار می شود که در این صورت ویفر سیلیکونی قطب مثبت پیل تشکیلی است. پارامترهای تاثیر گذار بر روی حالت تخلخل ها عبارتند از: غلظت اسید فلئوریک( HF) در محول اچ، بزرگی جریان عبوری از میان الکترولیت، بودن و یا نبودن سورفا کتانت (surfactant) در محیط محلول اچ و قطب مثبت بودن یا منفی بودن سیلیکون .
اتم های سیلیسیم در کریستال سیلیسم دارای 4 الکترون والانس هستند و با 4 اتم سیلیسم نزدیک به خود پیوند دارند. اگر یکی از اتم های سیلیسیم موجود در شبکه با یک اتم فسفر جایگزین که دارای 5 الکترون والانس است ، جایگزین شود، در ساختار یک الکترون اضافی ایجاد می شود این الکترون اضافی می تواند حامل جریان باشد و بدین وسیله در فرآیند رسانش همکاری کند. این الکترون اضافی در یک سطح انرژی دقیقا در زیر نوار رسانش قرار می گیرد. سیلیکونی که بوسیله ی اتم با الکترون اضافی پالایش یابد، به نیمه رسانای نوع n معروف است .اگر به جای افزودن فسفر از آلومینیوم استفاده کنیم، کمبود الکترون در شبکه ی سیلیسم ایجاد می شود .این کمبود به صورت یک جای خالی در نوارهای پایین تر از رسانش نمود می یابد. این جای خالی بوجود آمده همچنین می تواند موجب افزایش رسانش گردد. سیلیسم پالایش یافته با چنین اتم هایی به نمیه رسانای نوع Pمعروف است.
این مساله روشن شده است که اندازه ی تخلخل های ایجاد شده در ویفر سیلیکونی به نوع سیلیسم (n یا p بودن) بستگی دارد.
زمانی که سیلیسیم از نوع p باشد و در محلول اچ قرار گیرد شبکه ی ظریفی از تخلخل ها با ابعاد کمتر از 10 نانومتر بوجود می آید.
منبع انگلیسی :ntroductionto nanotechnology/ charled p. Poole. Jr- frank.j. owns IWILEY

نانو تکنولوژی در پزشکی (1)

نانو تکنولوژی در پزشکی (1)

1.مقدمه

مقاله ی حاضر گوشه ای از کاربرد نانو تکنولوژی در پزشکی است. این مقاله سعی دارد فرصت های تحقیقاتی در زمینه نانو تکنولوژی در داروها را بیان کند. البته این نکته باید فراموش نشود که اکثر نانو داروها در مراحل اولیه ی کاربرد هستند و باید موانع بسیاری از سر راه آنها برداشته شود که این کار ممکن است سال ها و یا چند دهه زمان ببرد.

2. نانو داروها

2. 1. تعریف نانو تکنولوژی

اگر چه تعاریف بسیاری از نانو تکنولوژی موجود است ولی یکی از این تعاریف متداول تر است .این تعریف بوسیله ی انستیتوی نانو تکنولوژی این گونه تعریف می شود:
«تحقیق و توسعه ی تکنولوژی در سطح اتم، ملکول و ملکول های غول آسا(Macromolecular Level) در مقیاس طولی 100-1 نانومتر. که این تحقیقات و توسعه های تکنولوژیک باعث مهیا شدن اطلاعات در زمینه ی پدیده ها و مواد در مقیاس نانو می گردد. و ساختار ها و سیستم هایی بواسطه ی آن تولید می شود که خواصی بسیار خوب و کاربردی دارند . این خواص بسیار خوب و کاربردی بواسطه ی اندازه ی کوچک این ساختارها و سیستم ها حاصل می گردد.»
به طور ساده تر بایدگفت: که نانو تکنولوژی دنیای در مقیاس نانو( یک میلیونیوم متر) است. این مقیاس بسیار کوچکتر از مقیاس های معمولی است. این دنیا، دنیای میان ماکرومتر و پیکومتر(یک میلیاردیوم متر) است.
برای اینکه تجسم بهتری از مقیاس نانو پیدا کنید بعضی از مقیاس های مورد توجه برای نانومواد در زیر آورده شده است:
نانو ذره ها ....................................................1-100 nm
فلرن (c60) ....................................................... 1 nm
کوانتوم دات (cdse) ....................................... 8 nm
ساختارهای دندریتی ..................................... 10 nm
در زیر برخی مواد در مقیاس نانو که در طبیعت وجود دارد آورده شده است.
اتم ...................................................................... o.1nm
DNA(عرض) ................................................... 2 nm
پروتئین ........................................................ 5- 50 nm
ویروس ها ............................................... 75-100 nm
مواد داخل سلولی ...................................< 100 nm
باکتریها ....................................... 1000- 10000 nm
گلبول سفید خون ..................................... 10000 nm
قلمروی اندازه ی اجزای مورد مطالعه در نانو تکنولوژی مانند اندازه ی ساختارهای بیولوژیکی هستند. برای مثال ، کوانتوم دات(quontdm dot) به اندازه ی یک پروتئین کوچک (10nm >) است. و ساختارهای حامل دارو(drug- carrging nano – structure) اندازه ای تقریباً برابر با یک ویروس (nm 100>) دارند. به خاطر شباهت در اندازه ی محصولات و سیستم های نانویی با ساختارهای بیولوژیکی ، نانو تکنولوژی در تحقیقات سلامت استفاده ی روز افزونی پیدا کرده است. برای مثال نانو ساختارهای هیبرپلای که می توانند آسیب های وارده به سیستم های بیولوژیکی را احساس کرده و آنها را برطرف کنند. (کاری که سلولهای سفید خون نیز انجام می دهند) که این ساختارها بوسیله ی نانو تکنولوژی بررسی می گردد.
نانو کوچک کردن سلسله وار مواد از حالت ماکرواست .به هر حال به دلیل آنکه تعدادی از قوانین علمی در مقیاس نانوغالب می شوند، نانو مواد می توانند دارای خواصی بسیار متفاوت نسبت به مواد بالک داشته باشند. این خواص باعث تولید موادی می شوند که محکم تر، رساناتر هستند و یا خواص سوپر پارامغناطیس ، خواص نوری قابل تنظیم، تخلخل بیشتر، عایق الکتریکی بهتر و خوردگی کمتری دارند. نانو مواد پتانسیل حل مشکلات در زمینه بیولوژیکی را که امروزه لاینحل است، دارند . به عنوان مثال نانو مواد غیر آلی تغییرات الکتریکی بوجود آمده در ملکولهای بیولوژیکی را آشکار سازی می کنند و بگونه ای عمل می کنند که بیماریها شناسایی و درمان شوند.
وسایل و سیستم های کوچک می توانند با کار در مقیاس میکرو و نانو باعث بهبود جهت دار وضعیت درمان گردند. این کار باعث افزایش عملکرد رشته های DNAگشته که زمان کشف دارو وتشخیص را کاهش می دهد.مثال دیگر سیستم های مایع بسیار کوچک است که در هنگام عبور آنها از میان لوله های میکرویی و نانویی ایجاد جریان آرام می کند.در واقع برخورد شیمیایی موثرتر میان این سیستم ها و جداره ها باعث جلوگیری از ایجاد شدن جریان های گردابی و تلاطمی می گردد.

2. 2. بخش های نانو تکنولوژی

نانو تکنولوژی را می توان به عنوان یک سری از تکنیک ها دید که یا به صورت انفرادی استفاده می شود و یا با محصولات و کاربردهای دیگر ترکیب گشته و باعث بهبود آنها گشته است. برخی از این تکنیک ها امروزه وجود دارند و برخی دیگر در مراحل توسعه هستند و ممکن است در سال ها و یا دهه های آینده برای ما مفید باشند.
نانو تکنولوژی را می توان بر اساس موارد زیر تقسیم بندی کرد.
الف) ابزارها (tools)
ب)مواد (materials)
ج)وسایل (devices)
د) مواد و ماشین های هوشمند(intelligent materials and machines)
در زیر توضیحات کوتاهی در مورد هر یک از بخش های اشاره شده در بالا داده شده است:

الف) ابزارها (tools)

ابزارهای نانو تکنولوژی شامل تکنیک های میکروسکوپیک و وسایل است که به استفاده کنندگان اجازه می دهد تا بخش های در مقیاس نانویی را تجسم و اداره کنند. این بخش های نانویی مانند سلولها، باکتریها و ویروس ها هستند .همچنین این وسایل باعث می شوند تا تجمعات مولکولی در دنیای طبیعی بهتر شناسایی گردند. ابزارهای مورد استفاده شامل میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)، میکروسکوپ تونلی- روبشی (STM)، نرم افزارهای مدل سازی ملکولی و تکنو لوژیهای تولید ویروس می شود.

ب) مواد (Materials)

نانو مواد را می توان به سه گروه تقسیم بندی کرد
- نانو مواد خام (raw nanomaterials)
این بخش شامل نانو ذرات(nanoparticle) و مواد نانو کریستالی(nanocrystalline materials) می شود .این مواد به آسانی تولید می شوند.این نانو مواد می توانند جایگزین مواد بالک با عملکرد ضعیف گردند. نانو مواد خام را می توان به عنوان مواد زیست سازگار (Biocompatible) و یا پوشش های محافظ دارو (drug encapsulation) ، جایگزین های استخوانی(bone replacements)، پروتزها و امپلنت ها استفاده کرد.
- مواد نانو ساختار(nano structured materials)
این مواد که حالتهای پیشرفته ای از نانو مواد خام هستند دارای اشکال و عملکرد خاصی می باشند. مثال هایی از مواد نانو ساختار عبارتند از کوانتوم دات ها (نانو ساختارهایی است که اتم ها را مجبور می کنند در حالتهای انرژی ناپیوسته قرار گیردند. این نانو ساختارها در نشانه گذاری بیولوژیک کاربرد دارند) و دندریمرها(dendrimers) پلیمرهای شاخه دار که برای دارو رسانی، فیلتراسیون و نشانه گذاری شیمیایی کاربرد دارند.)
به دلیل پیچیدگی ایجادی در زمینه ی نانو ساختارها ،محصولات متنوعی ایجاد گشته است که این پیشرفت قبل از توسعه ی کاربردهای آنها اتفاق افتاده است.
- نانوتیوپ ها و فلرن ها(nanotubes and fullerenes)
این مواد اولین مواد شگفت انگیز در نانو تکنولوژی هستند. این مواد فرم های جدید مولکولهای کربنی که استحکام آنها صد برابر فولاد و وزنشان یک ششم فولاد است. این مواد از مس رساناتر هستند و بدون هیچ مشکلی می توان آنها را در کاربردهای پزشکی استفاده کرد. در حالی که تحقیقات در زمینه ی این مواد هنوز در مراحل اولیه ی توسعه هستند . گستره ی وسیعی از نانو تیوپ ها و فلرن ها در کاربردهایی مانند ماهیچه های مصنوعی(muscles artificial) ، سوزن های تزریق برای سلولهای منفرد( needles for individual cells injection) و سیستم های انتقال دارو(drug delivery systems استفاده می شوند.

ج) وسایل (dervices )

دو نوع از وسایل کوچک که با نانو تکنولوژی پیوند خورده است عبارتند از :
- وسایل نانویی(nano dervices)
این وسایل ابزار آلات فنی هستند که ابعادشان در مقیاس نانو است .در حالی که وسایل نانویی به آسانی درآزمایشگاه ساخته می شوند .اما در اکثر مواد راه حل مناسب استفاده از وسایل در مقیاس میکرومتر است و با استفاده از وسایل در مقیاس میکرومتر از بسیاری از مشکلات جلوگیری می گردد به عنوان یک نتیجه احتمال زیادی وجود دارد که وسایل نانویی در کار بردهای آینده استفاده شوند.
- وسایل میکروبی(micro device)
این وسایل شامل سیستم های میکرو الکترو مکانیکی(MEMS)، میکروسیال ها(fluidics micro) و میکرو آرایش ها(microarrays) می شوند. این میکرو تکنولوژی ها کاربردهای پزشکی متنوعی دارند. برای مثال این سیستم ها در سنسورهای بیولوژیک(Bio sensors) و آشکار سازهای مورد استفاده برای شناسایی مقادیر کم باکتری ها، عوامل بیماری زا، اثرات بیماری ها، میکروسیال های لب اون اِ چیپ (Lab –on –a achip) برای آزمون های DNA و سیستم های تزریق مایعات و وسایل دارای سیستم های میکرو الکترو مکانیکی( این وسایل دارای بخش های متحرکی هستند که در وسایل جراحی و قطعات جایگزین قلب کار برد دارد).

د) مواد و وسایل هوشمند

این بخش یکی از بخش های جالب در زمینه ی نانو تکنولوژی است که شامل شکل های تحقیقاتی زیادی است. زمینه های گسترده ای مانند روباتهای کوچک (نانوربات ها(nanorobots) یا نانو بوت ها (nanobots) نامیده می شود وجود دارد. که تصور می شود با آنها بتوان عفونت های بدن و سلولهای ناسالم را بهبود داد. در واقع با تزریق این نانو ربات ها به بدن بافت های آسیب دیده ترمیم می گردند.
پتانسیل های دیگر در زمینه ی کاربردهای این مواد عبارتند از مواد هوشمندی که می توانند تحریکات خارجی را حس کرده و برای وفق گرفته با تغییرات محیطی خواصشان را دگرگون سازند، این ها ماشین های ملکولی هستند که می توانند مواد را اتم به اتم بسازند و مونتاژ کنندگان ملکولی ای هستند که می توانند ماشین های ملکولی تولید کنند. در واقع این مباحث تئوریک است و امروزه هنوز طرحی در این زمینه به مرحله ی تجارتی نرسیده است.

2. 3. نانوداروها

در شکل 1 رده بندی نانو داروها به طور خلاصه بیان شده است. البته علاوه بر بیان این رده بندی در مورد تک تک آنها نیز توضیحاتی بیان می گردد.

برخی از بخش های نانو تکنولوژی هم اکنون در تحقیقات دارویی کاربرد دارد. امروز تنها بخشی کوچک از تحقیقات در زمینه ی نانو داروها در حال انجام می باشد و تنها کمپانی های خاص و برخی از فعالیتهای دولتی است که در زمینه ی نانو داروها در حال انجام می باشد.

3. داروشناسی بیولوژیک(Biopharmaceutics)

3. 1. رسانش دارویی(Drug Delivery)

نانو تکنولوژی گستره ی وسیعی از تکنیک های جدید در زمینه ی رسانش دارویی را مهیا کرده است. مزیت این روش ها بهینه سازی رسانش دارویی است.
برای اینکه درمان موثر باشد باید از داروها در طی رسیدن به محل مورد نظر در بدن محافظت گردد. یعنی باید به گونه ای از دارو محافظت گردد تا خواص بیولوژیکی و شیمیایی آن تغییر نکند.
برخی از داروها بسیار سمی هستند و می توانند باعث ایجاد اثرات جانبی ناگواری گردند و اگر این داروها در طی رسانش تجزیه گردند می تواند اثرات درمانی را کاهش دهند. زمان رسانش و چالش های پیش روی آن بسیار متفاوت است. در واقع با توجه به اینکه دارو در کجا جذب گردد( برای مثال روده ی بزرگ (colon) روده کوچک (small intestine)... و بر چه نوع مکانیزم دفاع طبیعی ، باید غلبه گردد ، زمان دارو رسانی و چالش های مربوط به آن تغییر می کند.
سابقاً برای رسیدن یک دارو به محل مورد نظر، نیاز بود تا دارو با یک سرعت معین در بدن آزادگردد تا مؤثر واقع شود. اگر دارو به سرعت آزاد می شد ممکن نبود که به طور کامل جذب گردد و یا این مساله ممکن بود باعث سوزش بخش های دستگاه گوارش مانند معده و روده شود. سیستم رسانش دارو بابد به طور مؤثر بر سرعت جذب، توزیع، متابولیسم و دفع دارو و دیگر مواد در بدن را تنظیم کند. به علاوه سیستم رسانش دارو باید اجازه دهد تا دارو به گیرنده های هدفش بچسبد .و بر روی سیگنال های گیرنده تاثیر گذاشته و پس از آن مانند سایر داروها عمل کرده و باعث بهبود بیماری می گردد.
سیستم های رسانش دارو همچنین دارای محدودیت شدیدی در نوع مواد مورد استفاده و روش های تولید دارد. موارد مورد استفاده در رسانش دارویی باید با بدن سازگار باشند و به آسانی به دارو متصل شوند و قابلیت جذب دوباره ی زیستی (bioresorbable) داشته باشند. تولید باید بگونه ای انتخاب شود که دارو از بین نرود و از لحاظ اقتصادی نیز به صرفه باشد.
نانو تکنولوژی می تواند راه حل های رسانش دارویی جدیدی ارائه کنند که عبارت اند از:
1. 1. 3. دارو رسانی کپسولی (Drug Encapsulation) یکی از گروه های اصلی در سیستم های رسانش دارویی موادی هستند که داروها را در داخل خود حفظ می کند. در واقع این مواد به صورت کپسول درآمده و از داروها در طی عبور از بدن محافظت می کنند. مواد مورد استفاده در دارو رسانی کپسولی شامل لیپوسوم ها(Liposomes) و پلیمرها (مانند پلی آکتید ها – و لاکتید- کو- گلیکولید(Lactide- co – Glycolide) هستند که به عنوان ذرات در مقیاس میکروسکوبیک استفاده می شوند. این مواد به صورت کپسول در دور دارو ایجاد می گردند و همین طور که دارو از میان جداره ی کپسول نفوذ می کند. زمان مناسب برای دارو رسانی ایجاد می گردد . همین طور که دارو ها از داخل کپسول آزاد می گردد مواد کپسولی نیز فرسایش یافته و در بدن از میان می رود.
هنگامی که مواد کپسولی را از نانو ذرات با اندازه ی 100-1 نانومتر ساخته شود( به جای اینکه از مواد با ذرات بزرگتر (میکروذرات) استفاده شود، خواص متفاوتی ایجاد می گردد. در واقع نانو ذرات سطح ویژه ی وسیع تر و اندازه ی تخلخل های کوچکتری دارند. و دارای خواص انحلالی بهتر و خواص ساختاری متفاوتی هستند .این خواص موجب می شود تا پدیده ی نفوذ و خواص فرسایشی کپسول ها بهبود یابد.
علاوه بر لیپوسوم ها و پلیمرها، انواع دیگری از نانوذرات برای سیستم های دارو رسانی کپسولی استفاده می شوند. موادی مانند سیلیس (sid2)، کلسیم فسفات ( هیدورکسی آپاتیت) دارای خواص عالی در مقیاس نانو هستند. که این خواص بسیار بهتر از خواص آنها در مقیاس میکرو می باشد. این مواد به صورت بالقوه برای سیستم های دارو رسانی بیان شده در بالا مناسب تر هستند.Advectus Life Science در حال توسعه ی یک سیستم رسانش دارو بر پایه ی نانو ذرات است. این سازمان قصد دارد از این سیستم برای درمان تومورهای مغزی بهره گیرد .در این سیستم داروی ضد تومور دوکسروبیسین
(doxorubicin) به نانوذرات پلی بوتیل سیانواکریلات (poly Butyl Cyano Acrybte) می چسبند و با پلی سوربات 80(polysorbate) پوشش دهی می گردد. داروی حاصله به صورت وریدی به فرد مبتلا تزریق می گردد. و بوسیله ی جریان خون گردش می کند. پلی سوربات 80 آپولی پروتئین های پلاسمان خون (apoliporoteins) را جذب کرده که بوسیله ی جریان خون چربیها انتقال می یابند. این ماده باعث می شود. تا یک اثر استتاری شبیه کلسترولLDL ایجاد می کند. که اجازه می دهد دارو از میان موانع دفاعی (blood – brain barrier) عبور کند.
2. 1. 3 حامل های دارویی فانگشنال (functional Drug Carriers)گروه دیگری از سیستم های رسانش دارو که نانو تکنولوژی ارائه کرده است در زمینه ی نانو مواد است که داروها را به مکان های مقصد شان حمل می کنند.این سیستم ها دارای خواص مفیدی می باشند .نانوساختار های معینی را می توان تحت کنترل قرار داد و آنها را به داروها ، ملکول های هدف (targeting molecule) و یا یک عامل تصویربرداری(Imaging agent) متصل کرد . سپس این نانو ساختارها جذب سلولهای خاص می گردند و در زمانی که نیاز باشد وظیفه ی خود را انجام می دهند. به خاطر اندازه ی نانویی ، نانو ساختارها قابلیت ورود به سلولها را دارند زیرا موادی می توانند به راحتی وارد سلولها شوند که اندازه ی آنها زیر صد نانومتر باشند. برخی از نانو ساختارهایی که برای این منظور استفاده می شوند عبارتند از:
فلرن ها(fullerenes)
دندریمرها(dendrimers)
نانوشل ها(nanoshells)
فلرن ها (باکی بال ها) کره های تو خالی طبیعی هستند که یک نانومتر قطر دارند و از بیش از شصت اتم کربن ساخته شده اند .فلرن ها یک پلت فورم رسانش دارویی بسیار عالی ایجاد می کند. در واقع فلرن ها به خاطر داشتن ساختار تو خالی بسیار مورد توجه هستند که عامل دارویی می تواند به این فلرن ها متصل گردد. و با آن حرکت کند.
c-sixty در حال توسعه ی یک پلت فورم رسانش دارویی بر پایه ی فلرن هاست که در این سیستم فلرن ها را به آنتی بادی ها و دیگر عوامل هدف متصل می کنند .تعدادی از سیستم های رسانش دارویی که بوسیله ی c-sixty ساخته شده اند. عبارت اند از: ساختارهای شیمی درمانی نشانه دار با فلرن (decorated chemotherafeutic constructs fullerone)،رادیو داروهای فلرنی(fullercne – radiopharmaceuticals)، و سیستم های لیپوسوم بر پایه ی فلرن ها (fullerene – based liposome system)
این سیستم های رسانش دارویی باکی سام(Buckysomes) نامیده می شوند .در این روش ها یا از یک تک دارو و یا از ترکیب چند دارو استفاده می شود. C- sixty چند داروی بر پایه ی تکنولوژی پلت فورم فلرن ها در زمینه ی درمان سرطان(cancer) ، ایدز(HIV/AIDS) و اختلالات عصبی(neuro – degenerative disorders) ساخته است.
نانو داروی دیگری که به عنوان داربست های رسانش دارویی استفاده می شود، دندریمرها هستند. این نانوماده یک ملکول پلیمری است که توسط دان تومالیا(Don Tomalia ) از Dendritic Nanotechnologies کشف شد. محققانی مانند جیمز بیکر(games Backer) از دانشگاه میشیگان در حال استفاده از دندیمر ها هستند.آنها از این مواد، مواد ژنتیکی مورد استفاده در روش های درمانی داخل سلولی برای تخریب تومرهای سرطانی( بدون واکنش های تدافعی) می سازند. به خاطر اندازه ی کوچک دندیمرها و ساختار های شاخه دار آنها واکنش تدافعی در بدن اتفاق نمی افتد.دندریمرها را می توان بگونه ای ساخت که ترکیبات متصل شده به آنها در اثر برخورد با یک ملکول و یا یک واکنش شیمیایی خاص آزاد گردند.
یک کره ی توخالی که به آن نانوشل می گویند بوسیله ی Nanospectra ساخته شده است. از این شل برای دارو رسانی می توان استفاده کرد. این نانوشل از یک لایه ی خارجی از جنس طلا تشکیل شده است که لایه های داخلی آن بوسیله ی سیلیکار(sio2 ) و دارو پوشانده می شوند. نانوشل های را می توان برای جذب انرژی و تبدیل آن به گروه استفاده نمود. به عنوان یک نتیجه باید گفت هنگامی که نانوشل ها درکنار یک ناحیه ی هدف مانند سلول تومری قرار می گیرد و به آن ناحیه نور مادون قرمز بتابد، نانوشل می تواند آنتی بادی های خاص آن تومر را آزاد کند.

2. 3. کشف دارو( Drug discovery)

تکنولوژی های نانو و میکرو یکی از آخرین راه حل ها برای کاهش زمان توسعه ی داروهای جدید است .این تکنولوژی ها پتانسیل کاهش قیمت تحقیقات و توسعه ی داروها را نیز دارند.
روش آزمون و خطاکه برای کشف داروها از آن بهره گرفته می شود حداقل ده سال طول می کشد. این زمان شامل مراحل تحقیقات و رسیدن دارو به مراکز فروش است. که گاهاً این زمان به بیش از ده سال نیز می رسد. در سال های اخیر، تعدادی تکنولوژی تکمیلی و جدید و توسعه یافته است که بطور قابل ملاحظه ای روش تولید دارو را فشرده می کند. نظم عملیاتی بالا ، برچسب زنی بسیار حساس (sensitived labeling) و تکنولوژی های آشکار سازی برای افزایش سرعت و دقت شناسایی ژن ها و مواد ژنتیکی استفاده می گردد که نتیجه ی آن کاهش پروسه ی کشف و توسعه ی دارویی می شود. تکنولوژی نانو و میکرو به همراهی راه حل های فناوری اطلاعات مثل شیمی ترکیبات(combinatorial) ، بیولوژی محاسباتی (computional biology) ، ساخت داروها با کمک کامپیوتر ، اطلاعات مینرالی و ابزارهای پردازش داده باعث شناسایی و حل بهتر چالش های مرتبط با کشف دارو شده و توانسته تنگناهای بحرانی در ساخت و کشف داروها را کاهش دهد. به علاوه به خاطر مزایای فناوری اطلاعات تعداد داروهای مورد آزمایش در 10سال گذشته رشد زیادی داشته و از 500.000 ترکیب دارویی به یک و نیم میلیارد رسیده است.
ادامه دارد ......منبع انگلیسی: Nanomedicine Toxon omy/ Neil Gorden & uri Sagman Canadian Alliance

نانو تکنولوژی در پزشکی (2)

نانو تکنولوژی در پزشکی (2)

4) مواد با قابلیت استفاده در بدن (Implantable materials)

1 .4 . جایگزینی و اصلاح بافت(Tissue Repair and Replacement)

نانوتکنولوژی نسل جدیدی از مواد زیست سازگارپذیر را ارائه کرده است. این نانو مواد برای ترمیم و جایگزینی بافت های بدن استفاده می شوند.
بعضی مواقع این نیاز وجود دارد که بافت های آسیب دیده و بیمار بدن با مواد مصنوعی جایگزین و یا ترمیم گردد. در حالی که اگر اکثر انواع بافت های بدن با فعل و انفعالات سلولهای مولّد (Stem cels) که حاصل تغییر مقدار مواد شیمیایی است، ترمیم می شوند، ولی راه های ترمیم بافت های مختلف متفاوت است.
بافت های سخت مانند دندان ها و استخوان ها به گونه ای التیام می یابند که اثری از خود بر جای نمی گذارند و بافت بگونه ای دوباره ساخته می شود که نمی توان آن را با حالتی که بافت سالم بوده، تشخیص داد.
به هر حال در مواردی که از مواد مصنوعی (استخوان یا مواد دندانی) بهره گرفته می شود امکان پس زدن دفاعی ماده، خوردگی بوسیله مایعات بدن و عدم چسبندگی طولانی به استخوان میزبان وجود دارد.
این مسأله می تواند موجب افزوده شدن دفعات عمل جراحی یا کاهش امپلنت گردد. در بسیاری موارد، در محل های اتصال بین امپلنت و بافت های دیگر، شکستگی رخ دهد که ممکن است این مسأله بخاطر ضعیف شدن پیوند مواد مصنوعی امپلنت و مواد طبیعی بدن، اتفاق افتد. برای برطرف شدن این معضل امپلنت ها را معمولاً با مواد زیست سازگار پوشش می دهند تا خواص چسبندگیشان را افزایش دهند و نسبت سطح به حجم بیشتری ایجاد کنند. نسبت سطح به حجم بالاتر موجب می شود تا ناحیه ی تماس افزایش یافته و پیوند پایدارتری حاصل گردد.
در دیگر انواع بافتها که بافت هایی بسیار نرم(مانند غشاء و مواد داخل سلولی) که در آنها عمل سوخت و ساز انجام می شود، جایگزینی بافت هنگامی که سلولها زنده به یک داربست مصنوعی غربال مانند پیوند زده می شود، بهتر انجام می شود.
داربست های مصنوعی با لیگاندهای علامت دهنده (signall ligands) یا تکه های DNA آمیخته می شوند و این مسئله باعث ایجاد واکنش های سلولی خاص گشته و سنسورهای ملکولی را برای پذیرش بازخورد(Feed back) محیطی آماده می کند.
این داربست های مصنوعی نوعاً ساختارهایی موقت بوده و هنگامی که بافت جدید ایجاد گردد، جذب می گردد. مواد مورد استفاده در ساخت داربست های مصنوعی باید به صورت اشکال مناسب و ساختار سه بعدی ساخته شدند و خواص سطح مطلوبی داشته باشند تا در هنگام رشد بافتی جایگاه های رشد به درستی ایجاد گردند و رشد انواع سلولهای مختلف به خوبی صورت گیرد.
نانوتکنولوژی راه حل های جدیدی ارائه می کند تا بواسطه آنها ترمیم بافتی و جایگزینی بافتی به خوبی انجام شود.
1. 1. 4 پوشش های امپلنت هانانوتکنولوژی ابداع کننده نانو مواد و پوشش های زیست سازگار جدیدی است که مساحت سطح(area surface) بالایی دارند. این مساحت سطح بالا موجب افزایش چسبندگی، دوام و طول عمر امپلنت ها می گردد.
مواد سرامیکی مانند کلسیم فسفات(هیدروکسی آپاتیت (HAP)) برای تولید پوشش های امپلنتی استفاده می شوند. که برای پوشش دهی آنها به جای ذرات میکرونی از نانو ذرات استفاده می شود.
به علاوه برای بهبود خواص چسبندگی و مساحت سطح بالاتر پوشش نانوذره ای، تکنیک های پوشش دهی نیز بهبود یافته اند. اگرچه روش های دما بالا مانند اسپری پلاسمایی(plasma spray) می تواند ذرات سرامیک را ذوب کرده و مساحت سطح و خواص چسبندگی آنها را کاهش دهد. ولی روش های دما پایین جدید که با میلان های الکترو مغناطیس عمل می کنند، می توانند خواص نانو مواد را حفظ کنند. حفظ خواص نانو مواد باعث می گردد که سطح تماس میان امپلنت ها با سطح استخوان به ماکزیمم حالت خود برسد و پتانسیل رشد استخوان میزبان در امپلنت بهبود یابد.
انواع جدید نانو مواد برای استفاده شدن به عنوان پوشش های امپلنتی مورد ارزیابی قرار گرفته اند و خواص سطحی آنها سنجیده شده است. برای مثال نانوپلیمرهایی مانند پلی وینیل الکل (alcohol polyvinyl) می توانند به عنوان پوشش امپلنت هایی که در تماس با خون هستند(مانند قلب مصنوعی و پیوند رگ ها و سوند مثانه(catheters)) استفاده می شوند. این پوشش ها موجب پراکندگی لخته های خونی می شوند و از ایجاد آنها جلوگیری می کنند.
2. 1. 4. داربست های بازسازی بافت ها(Tissue Regeneration Scaffolds)نانوساختارها برای ساخت و بهبود داربست های بازسازی بافت ها مورد تحقیق قرار گرفته است. زمینه های تحقیقاتی شامل قابلیت توسعه ی پلیمرهای حساس ملکولی است که از خواص نوری نانو ذرات به عنوان سیستم کنترلی استفاده می کنند. این پلیمرها از نانو ساختارهای هیبریدی(hybrid nanostructures) برای تنظیم سختی و استحکام داربست خود استفاده می کنند. همچنین از نانوتکنولوژی برای ایجاد تغییرات ملکولی استفاده می کنند که این تغییرات باعث ماکزیمم شدن زیست سازگاری طولانی مدت(longterm vibitity) و عملکرد سلول های قرار گرفته بر روی سطح داربست می گردد.
برای رسیدن به هدف بزرگ رشد ارگان های پیچیده و بزرگ، نانو مواد و تکنیک های تولید متنوعی مورد جستجو قرار گرفته است. این روش ها و مواد برای داربست های بازتولید بافت ها استفاده می شوند که موجب مهیا شدن ابزار آلات ساختاری و اطلاعات در زمینه ی کاشت سلولی شده است. برخی از مواد عبارت اند از
1) پلیمرهای با اندازه ی نانویی (nanoscale polymer) مانند پلی وینیل الکل(DVA) که به صورت دریچه های قلب قالب گیری می شوند و با سلولهای اندوتلیال (endothelial) و سلولهای فیبروبلست(fibroblest) کشت سلولی می شوند.
2) پلی وینیل الکل همچنین برای قرنیه نیز استفاده می شود. که برای تولید آن سلولهای اپتیلیا(cells epitehelia) در یک ساختار هیدروژل پلی وینیل الکل کشت می گردد. این ماده ی پلیمری می تواند بیش از 20درصد وزنی آب جذب کند و همچنان ساختار سه بعدی خود را حفظ کند.
3) یک گوی پلی گلیکولی با سلولهای ماهیچه ای و سلولهای اندوتلیال مشابه مورد آزمایش قرار گرفته است.
4) نانوکامیوزیت های پلیمری برای داربست های استخوانی مورد تحقیق قرار گرفته اند.
پیش بینی می شود که این محصولات تا 5-10 سال دیگر به صورت تجاری در می آیند. چالش های علمی در مورد این مواد بیشتر در زمینه ی دانستن بهتر بیولوژی سلولی/ ملکولی و روش های تولید داربست های سه بعدی بزرگ است که برای بهره گیری از این مواد باید از این موانع عبور کنیم.
نانوساختارها نیز برای مطالعه ی خواص بنیادی بافت های امپلنت شده استفاده می شوند. در زمینه ی محیط های آنالیز، نانوساختارها به عنوان ردیاب های سلولهای امپلنت شده و پاسخ بافت امپلنت شده ی میزبان استفاده می شوند.

2. 4. مواد ساختاری کاشتنی (Structural Implant Materials)

نانوتکنولوژی نسل جدیدی از مواد زیست سازگار را تولید کرده است که می توان آنها را به عنوان امپلنت ها یا ساختارهای موقت زیست جذب شونده (temporary biosorbable structures) استفاده کرد.
استخوان یک ماده ی بسیار محکم است که علاوه بر اینکه یک ماده ی ساختاری است دارای تخلخل های ممتدی است که مایعات بدن از آنها عبور می کنند. همچنین استخوان ها اجازه ی واکنش های بین بافت های سخت و نرم را می دهند. استخوان ها در هنگامی که بشکنند، اختلال داشته باشند، همچنین در کاربردهای دندانی و انواع دیگر جراحی ها نیازمند جایگزینی و یا ترمیم دارند. مواد طبیعی برای جایگزینی با استخوان ها استفاده می شوند. این مواد طبیعی شامل موارد زیر می شوند.
1) جایگزینی یک قطعه دیگر از بدن به جای استخوان آسیب دیده فرد مثلاً جایگزینی بخشی از لگن خاصره به جای یک قسمت آسیب دیده
2) جایگزینی استخوان آسیب دیده فرد با همان استخوان که از یک فرد اهدا شده است.
3) مواد جایگزین بدست آمده از بدن گاو(bovine materials)
4) قطعات مرجانی (coral blocks)
مواد طبیعی پس از گذشت یک زمان کوتاه ترد می شوند و در طی گندزدایی، استحکام مکانیکی خود را از دست می دهند. این مواد همچنین می توانند در ناحیه ی جراحی ایجاد التهاب و درد کنند و پتانسیل انتقال بیماری ها را نیز دارند.
منافذ استخوانی را نیز می توان با سیمان مصنوعی استخوانی پر کرد. سیمان های استخوانی که امروزه استفاده می شوند، دارای مقادیری پلی متیل متااکریلات(polymethylmethacrybte) هستند که این ماده به عنوان پرکننده عمل می کنند. این سیمان ها به صورت یک خمیر روان تهیه می شوند و ابتدا به محل تزریق گشته و سپس در محیط سخت می گردد. در حالی که سیمان پلی متیل متااکریلات خواص مکانیکی و خواص پیوندی مناسبی ارائه می کند ولی این نوع سیمان ها عموماً برای استخوان هایی استفاده می شوند که وزن زیادی تحمل نمی کنند.
1. 2. 4. ترمیم استخوانی (bone Repair)نانوتکنولوژی گروه متنوعی از نانو مواد زیست سازگار با مساحت سطح بالا ارائه کرده است که این مواد را می توان به عنوان ترمیم استخوانی و پرکننده های شکاف ها استفاده کرد.
مواد نانوسرامیکی با استحکام بالا مانند کلسیم فسفات آپاتیت(CPA) و هیدروکسی آپاتیت(HAP) بوسیله ی خمیر نانوذرات تولید می شوند. این خمیر متشکل از نانوذرات، به راحتی قالب گیری گشته و جریان می یابند. با تهیه ی قالب مناسب می توان استخوان مصنوعی از این مواد تهیه کرد و این استخوان مصنوعی را با استخوان های آسیب دیده جایگزین کرد. به خاطر اینکه استخوان های طبیعی تقریباً 70 درصد وزنی کلسیم فسفات آپاتیت (CPA) دارند. (که این مواد دارای هیدروکسی آپاتیت هستند)، زیست سازگاری به حد ماکزیمم رسیده و اثرات جانبی این استخوانهای مصنوعی حداقل است.
به خاطر دانسیته ی سطحی مناسب و ساختار کریستالی سه بعدی مستحکم که این مواد به پلی متیل متااکریلات می دهند، نانوسرامیک ها ممکن است برای استخوان های بارکش و غیربارکش مناسب باشند. نانوسرامیک هایی مانند کلسیم فسفات آپاتیت دارای ساختار نانوکریستالی اند که اندازه دانه های آنها می تواند به زیر 50نانومتر برسد. این نانوکریستال ها می توانند به صورت محکم به هم متصل شوند و یک ساختار سخت مناسب برای کاربردهای استخوانی ایجاد کند.
سیمان های مخصوص استخوان به گونه ای طراحی شده اند که در محیط های آبکی (مایعات بدن) نیز سخت می شوند. این نوع سیمان را در دانشگاه جنوب کالیفرنیا توسعه یافتند.
2. 2. 4. مواد با قابلیت زیست تخریب پذیری (Biores orbale Materials)نانوتکنولوژی پیشرفت هایی در زمینه ی مواد زیست تخریب پذیر ایجاد کرده است. امروزه پلیمرهای با قابلیت جذب ثانویه در کاربردهای پزشکی استفاده می شوند. مانند دستگاه های تثبیت ارتوپدی و بخیه زنی با روش های نوین تولید، نانوساختارهایی ساخته شده اند که توانایی استفاده شدن به عنوان امپلنت های موقت را دارند. امپلنت های زیست تخریب شونده به صورت خود به خود جذب گشته و دیگر نیاز نیست که با انجام یک عمل جراحی ثانویه امپلنت بیرون آورده شود. در کاربردهایی که از امپلنت های نانوساختار زیست تخریب پذیر استفاده می شود، امپلنت به طوری ساخته می شود که با یک سرعت معین جذب گردد و نیز به آهستگی به استخوان ترمیم شده که امپلنت وظیفه حفاظت از آن را دارد، انتقال می یابد.
همچنین تحقیقی بر روی غشاء های توری مانند ساخته شده از نانوالیاف انجام شده است. این غشاء های توری مانند که حالت انعطاف پذیر دارند را می توان در عمل جراحی قلب باز بر روی بافت های قلب قرار داد. این توری را می توان به آنتی بیوتیک ها، مسکن ها و یا داروها آغشته کرد و مستقیماً بر روی بافت های داخلی قلب قرار داد. نانومواد با گذشت زمان جذب می گردند. استفاده از این مواد مشکلات موادی که هم اکنون استفاده می گردند را ندارد. از این رو پیچیدگی جراحی کم می شود.
3. 2. 4. مواد هوشمند(smart Materials)مواد هوشمند گروهی از نانومواد هستند که به تغییرات محیطی پاسخ می دهند. (این تغییرات محیطی عبارتند ازPH، دما و ...)
یک تغییر محیطی می تواند اثر فیزیکی یا شیمیایی را به راه بیندازد. ایده ی این کار از مکانیزم های داخل بدن تقلید شده است. برای مثال کاربردهای این مواد می تواند شامل موارد زیر باشند:
1) پلیمرهای هوشمند با داشتن خواص انعطاف پذیری و استحکام مکانیکی می تواند قابلیت استفاده شدن در ماهیچه های مصنوعی را داشته باشد.
2) هیدروژن هایی که با توجه به وضعیت بدن حل می شوند که این مسأله باعث می شود تا داروسازی موثرتری صورت گیرد.
هنگامی که مواد هوشمند را به ساختار اضافه کنیم، این مواد پتانسیل احساس کردن اختلالات را دارند. و یا می توانند واکنش های فیزیکی یا شیمیایی را با اعمال نیرو بر سیستم های محرک (acturators)، سنسورهای پیزوالکتریک(Piezo sensors) و فلزات حافظه دار (shap memory metals) به راه بیاندازند.
ادامه دارد .......منبع انگلیسی: Nanomedicine Toxon omy/ Neil Gorden & uri Sagman Canadian Alliance

نانو تکنولوژی در پزشکی (3)

نانو تکنولوژی در پزشکی (3)

5. وسایل کاشتنی(Implantable Devices)

1. 5. وسایل تشخیصی و درمانی(Assessmentand Treatment)

نانوتکنولوژی، تکنولوژی های شناسایی ارائه می کند که دارای دقت بیشتری هستند و اطلاعات دارویی برای تشخیص بیماری ها را در اختیار ما گذاشته و همچنین زمان تشخیص را نیز کاهش می دهند. این دستگاه ها ضمناً دارای این قابلیت هستند که در صورت نیاز درمان را نیز به طور اتوماتیک انجام دهند.
تشخیص های پزشکی نیازمند تخصص پزشکی وآزمایشات تشخیص و ساخت دارویی ، مجهز است . این فرآیند ممکن است ساعت ها ، روزها یا هفته ها طول بکشد.
برخی از اطلاعات پزشکی به زمان حساس هستند مثلاً در مواقعی که پیوند عضو صورت گرفته باشد و جریان خون به آسانی به بافت مورد جراحی نرسد، زمان بسیار حساس است. و در صورت اینکه اقدامات مورد نیاز دیر انجام شود ممکن است آسیب های جبران ناپذیری به بدن وارد گردد. برخی از آزمایشات خاص پزشکی مانند بررسی بافت(biopsies) به شخص انجام دهنده بستگی دارد و می تواند به ما اطلاعات ناقص و یا غلط بدهد. هنگامی که یک نتیجه اشتباه باشد باعث می گردد سوزن درمان در محل مناسب (محل وجود تومور) قرار نگیرد. (مثلا در بافت سالم قرارگیرد.) و سرطان درمان نمی گردد و این مساله باعث می گردد که طول عمر شخص بیمار کاهش یابد. برخی آزمایشات مانند تعیین میزان قند خون افراد دیابتی به گونه ای است که خود فرد بیمار باید تست را انجام دهد(زیرا این تست باید زود به زود انجام شود تا میزان قند خون فرد در یک حد نرمال باشد.) بیماران خاصی مانند کودکان و افراد سالمند ممکن است قادر به انجام درست آزمایش نباشد و یا ممکن است انجام آزمایش برایشان زمان بر و یا دردناک باشد.
احتمال بیمار شدن افرادی که در محیط کارشان در معرض تابش پرتو و یا مواد شیمیایی خطرناک هستند، بیشتر است.(مانند افرادی که در سایت های هسته ای مشغول به کارند) برای این افراد، عمدتاً آزمایشات گاه و بی گاه انجام می شود، اما ممکن است که بیماری هایی که در مراحل اولیه اند را شناسایی نکنند. شناسایی بیماری در مراحل اولیه باعث می گردد که شانس درمان بالاتر باشد و بتوان با دور کردن کارگر از محیط خطرناک از آسیب ها ی بیشتر جلوگیری کرد.
نانو تکنولوژی می تواند تکنولوژی های تشخیص جدیدی ارائه کند که این تکنولوژی های تشخیصی بوسیله ی کاشت امپلنت های قابل فرسایش در بدن کار می کنند. و می تواند اطلاعات دارویی دقیق و مداومی به ما بدهد. ریز پردازنده های متمم و وسایل کوچک هنگامی که با هم همکاری می کنند می توانند باعث درمان بیماری ها شوند. در این شرایط انتقال داده ها و درمان به صورت خودکار انجام می شود. مثال هایی از این کاربردها در زیر آورده شده است:
1. 1. 5. سنسورهای کاشتنی(Implantable sensors)سنسورهای بسیارکوچک ( در ابعاد میکرو و نانو) می توانند استفاده های وسیعی در زمینه های تکنولوژی های موثر شناسایی مواد شیمیایی هدف و خواص فیزیکی داشته باشند. محققین در A& m تگزاس و ایالت پن آمریکا از مهره های پلی اتیلن گلیکولی(polyethylenglycol beads) که با ملکولهای فلئورسنت پوشش داده شده اند برای بررسی میزان قند خون افراد دیابتی استفاده می کنند. این مهره ها در زیر پوست تزریق می شوند و در مایع درون شبکه ای (Interstitial fluid) باقی می ماند. وقتی گلوکز مایع بین بافتی به حد خطرناکی پایین آید، سنسورهای گلوکز ، ملکولهای فلئورسنت را تحریک کرده و این ملکول ها شروع به درخشش می کنند. این درخشش باعث می شود تا فرد مطلع شود که قند خونش در یک حالت بحرانی است. تحقیق دیگری نیز بوسیله ی محققین دانشگاه میشیگان در حال انجام است که در آن از دندریمرهای متصل به برچسب های فلئورسنت برای شناسایی تغییرات سرطانی شدن و بدخیم شدن سلولها استفاده می شود. دندریمرها از طریق پوست بدن جذب گشته و به خاطر اندازه ی بسیار کوچکشان به آسانی از بین غشاء سلولهای سفید خون عبور کرده و علامت های اولیه ی تغییرات بیولوژیک حاصل از تابش پرتو و یا عفونت را آشکار می کند.
تابش پرتو باعث تغییر جریان یون های کلسیم در داخل سلولهای سفید خون می گردد و سرانجام باعث به راه افتادن آپاتوس( apatosis) یا مرگ سلولی برنامه ریزی شده(celldeath(PCD)programed به خاطر تابش پرتو یا عفونت می شود. چسب فلئورسنت متصل به دندریمرها در حضور سلولهای مرده شروع به درخشیدن می کنند. و با یک لیزر قابل شناسایی است.کاربرد مشابه این تکنولوژی بوسیله ی ناسا برای شناسایی میزان تشعشعات استفاده می شود.
میکرو چیپ های سنسوری نیز برای تحت نظر داشتن مداوم پارامترهای کلیدی بدن مانند نبض، دما و میزان گلوکز خون استفاده می شوند یک تراشه را می توان در زیر پوست کاشت. این تراشه یک سیگنال از خود به بیرون می فرستد که به طور مداوم می توان آن را ثبت کرد.
کاربرد دیگر این وسایل استفاده از میکروسنسورهای نوری است که این امپلنت ها در عمق پوست (بافت های عمیق)کاشته می شود و می توانند وضعیت بافت(گردش خون) پس از جراحی را گزارش دهد. و در صورتی که عمل با موفقیت انجام نشده باشد، جریان خون ناکافی است که این مسئله با سیستم های پردازش داده ای قرارداده شده در نزدیک بدن مشخص می گردند.
نوع دیگر سنسورهای، سنسورهای کاشتنی است که در سیستم های میکرو الکترو مکانیکی (MEMS) استفاده می شوند این سنسورها برای نظارت و درمان اندام های فلج شده کاربرد دارند. سنسورهای مورد استفاده در سیستم های میکرو الکترومکانیکی کاشتنی می توانند کرنش ، شتاب و پارامترهای خوب و بد را اندازه گیری کنند.
2. 1. 5. وسایل پزشکی کاشتنی(Implantable Medical Devices)سنسورهای کاشتنی همچنین می توانند با یک مجموعه از وسایل پزشکی کار کنند که این مجموعه ها در صورت نیاز می توانند به صورت اتوماتیک درمان را نیز انجام دهند. دستگاه های تزریق کاشتنی بسیار کوچک می توانند داروها را بر طبق نیاز در بدن پخش کنند. که این دستگاه ها شامل سیستم های میکروسیال (micro fluific Systems)، پمپ های بسیار کوچک(miniature pumps) و مخازن (reservoirs) هستند. کاربردهای اصلی این وسایل ممکن است در شیمی درمانی هدف گیری مستقیم تومورها در مورد(colon) باشد .که مزیت این روش در این است که دارو رسانی به صورت برنامه ریزی شده است. و حتی در هنگام خواب نیز پروسه ادامه دارد.
کاربردهایی از این دستگاه ها در درمان ایدز و لوپوس(Lupus) در دست بررسی است. سنسورهای قابل کاشت که بر سطح فعالیت قلب نظارت می کند نیز می تواند به همراه یک دی فریبو لاتور کار کند و ضربان قلب را تنظیم کنند. این وسایل با ریز پردازنده هایی همراه هستند که الکتریسته را به آنها تحویل می دهد. در واقع این وسایل ریتم قلب را منظم می کنند و در صورت بالا و پایین رفتن آن، با اعمال تاثیر بر قلب، ریتم را به حالت عادی برمی گردانند.
وسایل دارای سیستم میکرو الکترومکانیکی کاشتنی نیز بر روی پروتزها ( اعضای مصنوعی) قرار داده می شوند تا حرکات و استقامت طبیعی عضوتقلید گردد. یک پای مصنوعی طراحی شده است که می توانند نیروی اعمالی به پا، زاویه ی زانو و حرکات را بیش را از 50 بار در ثانیه اندازه گیری کنند.سنسورهای این پا به همراه یک قسمت کنترل شونده ی الکتریکی متصل است که پایداری شخص را بهبود می دهد.
وسایل پزشکی کاشتنی که قطر آنها از یک میلی متر ممکن است به طور نامطلوبی بر فعالیت بافت های اطراف تاثیر گذارند. وسایل کاشتنی کوچکتر تاثیرات ناخود آگاه کمتری بر بافت های اطراف دارند. بنابراین مواد نانوسایز و سیستم های میکرونی با احتمال قوی جایگزین سیستم های بزرگ تر می شوند.
برانگیختن الکتریکی(Functional E lectrical Stimulation (FES) یک روش درمانی است که در آن افراد دارای عضو فلج شده درمان می شوند . در این روش نواحی بی حس فرد بیمار بوسیله ی الکترودهای کاشتنی(Implanted electrod) تحریک گشته که این تحریک از نوع الکتریکی است. محققین در دانشگاه آلبورگ دانمارک(Aalborg university in Denmark) در حال به کار گرفتن نانوساختارها برای سطوح این الکترودها هستند. تا خواص زیست سازگاری و پذیرندگی(acceptana) نورن ماهیچه ای (neural/ muscle) بافت ها را بهبود دهند. هنگامی که یک نانوساختار در داخل یک غشاء سلولی قرار می گیرد با اعمال یک جریان الکتریکی، فعل و انفعال میان نورن ها و سلولهای ماهیچه ای انجام می شود که سبب بهبود وضعیت بیمار می گردد.
محققین در آلبورک همچنین از نانو ساختارها برای بازگردانی احساس به ماهیچه هایی که عصب خود را از دست داده اند، استفاده کرده اند. این از دست رفتن عصب ماهیچه ای بخاطر آسیب های ایجادی در مغز نخاع ایجاد گشته اند.این آسیب ها می توانند نتیجه ای از صدمه های حاصل از عمل جراحی ، ضربات وارده به نخاع، پیچش ستوان فقرات، آسیب های شبکه ی عصبی بازوها و میوپاتیزهای ثانویه(myopathes peripheral) مانند فلج اطفال(polio) باشند که در این وضعیت ها سلولهای عصبی کنترل کننده ی ماهیچه ، تخریب شده اند.
غشاء های رشته ای ماهیچه ها بوسیله ی نانوساختار ها تولید می شوند که پتانسیل تراوایی رشته های ماهیچه ای تغییر می کند و برانگیختگی الکتریکی خارج سلولی بهبود می یابد.

5. 2. کمک های حسی(Sensory Aids)

نانو و تکنولوژی های میکرومتری وابسته به آن برای توسعه ی نسل جدید وسایل کوچکتر و نیرومندتر استفاده می شود. تولید این وسایل باعث ترمیم مشکلات شنوایی و بینایی گشته است .این وسایل داده ها را به صورت سیگنال های الکتریکی دقیق جمع آوری و انتقال می دهد که این داده ها مستقیما به سیستم عصبی انسان تحویل داده می شوند.
بیماری های پیشرفت کننده ی شبکیه ی چشم مانند کورنگی(retinitis pigmentosa) یا کاهش دید به دلیل پیری ، باعث کاهش دید در شب می شوند و می توانند باعث کوری فرد شوند. دلیل اینکه این بیماری ها باعث می شوند تا فرد مبتلا کور شود این است که ریسپتورهاینوری(photoreceptors) ( سلولهای حساس به نور) از بین می روند.
در مواری که ارتباط بین مغز و چشم صدمه ندیده باشد اما فعالیت ریسپتورهای نوری مختل شده باشد، فقدان این ریسپتورهای نوری را پل زدن و یا ایجاد انشعاب فرعی جبران کرد.
در واقع در این روش میان سلولهای سالم عمل پل زنی اتفاق می افتد که در این حالت یک منبع تولید سیگنال ایجاد می گردد . که داده هایش را به مغز می فرستند و باعث ایجاد ادراک بصری می گردد و بنابراین در شخص مورد درمان قرار گرفته بخشی از بینایی اولیه برمی گردد.
در بیماران دارای مشکلات شنوایی حاد، معمولاً حس گر حلزون گوش یا بد عمل می کند و یا اصلاً وجود ندارند و در گوش نرمال، انرژی صدا به انرژی مکانیکی تبدیل می شود( این تبدیل انرژی درگوش میانی صورت می گیرد) انرژی مکانیکی تولیدی سپس در حلزون گوش به صورت حرکت مکانیکی مایع در می آید. در داخل حلزون گوش، سلول های حس گر داخلی و خارجی گوش که سلولهایی بسیار حساس هستند، حرکت مکانیکی مایع را به صورت پالس های الکتریکی به عصب شنوایی می رساند. امپلنت های حلزونی شامل یک مدار الکتریکی می شوند که با عمل جراحی انجام شده بر روی بیمار آن را به داخل جمجمه و بر روی استخوان گیجگاه قرار می دهند. این مدار به یک مجموعه از سیم های ریز متصل است که این سیم ها به حلزون گوش متصل می گردند. در انتهای این سیم ها معمولاً 8 تا 24 الکترود وجود دارد که وقتی تحریک می شوند، آن را حس می کنند. سایر اعضای این وسیله ی شنوایی به صورت بیرونی بوده که این اجزا شامل یک میکروفن ، یک پردازنده ی اصوات(Speech processor) و کابل های ارتباطی می شوند. امپلنت های حلزونی امروزی دارای عیوبی هستند که برای نصب این امپلنت ها نیاز به یک عمل حراحی بزرگ است و انجام این عمل هر گونه شنوایی طبیعی را از بین می برد. به خاطر اندازه ی بزرگ، این امپلنت ها اغلب در یک آن چند رشته ی عصبی را ترک می کنند. این مسئله باعث می شود تا اسفتاده کننده از این امپلنت ها صداهای مبهم بشنوند مخصوصاً در مواقعی که در حال گوش دادن به صداهای پیچیده مانند آهنگ هستند. میکرو تکنولوژی و سرانجام نانوتکنولوژی در تولید نسل جدید وسایل کاشتنی استفاده شده است که نتیجه ی آن بهبود فقدان حس در زمینه های زیر شده است:
1. 2. 5. امپلنت ها ی شبکیه ی چشم(retina Implants) امپلنت های شبکیه ی چشم با تحریک الکتریکی سلولهای عصبی شبکیه ، باعث بازگشت دید می شوند. تحقیقی در زمینه ی ساخت یک شبکیه ی مصنوعی بوسیله ی چندین گروه تحقیقاتی در آزمایشگاه ملی آرگونی(Laboratory Aragonne National) انجام شده است. این شبکیه ی مصنوعی در پشت شبکیه کاشته می شود. این شبکیه ی مصنوعی از یک دوربین بسیار کوچک استفاده می کندکه این دوربین به عینک شخص نابینا متصل می شود و سیگنال های تصویری را جمع آوری می کند. سیگنال های بدست آمده بوسیله ی دوربین توسط یک کامپیوتر کوچک که به کمربند شخص بیمار متصل است، پردازش شده و الکترودهای قرار گرفته در چشم فرد بوسیله ی پردازش این داده ها تنظیم می شوند. منظم شدن الکترودها سبب تحریک عصب چشمی گشته که موجب ارسال سیگنال هایی به مغز می شود.
تحقیق دیگری در زمینه ی اپتوبیونیک(optobionics) صورت گرفته است که درآن از امپلنت های زیر شبکیه ای برای جایگزینی باریسپتورهای نوری در شبکیه استفاده شده است. سیستم بصری مورد استفاده در این امپلنت ها هنگام تحریک غشاء پتانسیلی فعال می گردد .این امپلنت مجبور است که برای فراهم آوری نیروی خود از 3500 سلول خورشیدی میکروسکوپی بهره گیرد.
2. 2. 5. امپلنت های حلزونینسل جدیدی از امپلنت های کوچکتر و قوی تر بوجود آمده است که از دقت بالاتری برخورداردارند و کیفیت صدای آنها نیز بیشتر است. در این سیستمها یک مبدل کاشتنی با فشار در داخل گوش درونی و بر روی استخوان سندانی گوش نصب می گردد .این مبدل باعث می شود که استخوان ها تکان بخورند و جریان داخل گوش داخلی حرکت می کند. این عمل باعث تحریک عصب شنوایی می شود. آرایش از 128 الکترود در سرقلم این وسیله وجود دارد که 5 برابر بیشتر از تعداد این الکترود ها در وسایل کنونی است. تعداد بیشتر الکترود در این وسیله باعث گشته تا دقت تحریک رشته های عصبی(محل و چگونگی این تحریک) افزایش یابد. این مسئله باعث می شود تا صداهای با تن پایین تر قابل شنیدن بگردد.
این امپلنت به یک ریزپردازنده و یک میکروفن کوچک متصل است که این وسایل به گونه ای طراحی گشته اند که در پشت گوش بیرونی قرار می گیرند این وسایل اصوات را جمع آوری کرده و آنها را به صورت پالس های الکتریکی درآورده و از طریق یک سیم ارتباط دهنده این پالس ها را از یک حفره ی کوچک در گوش میانی متصل می کند.
الکترودهای کاشتنی هر روز در حال کوچک شدن هستند. و با گذشت زمان ، روزی می رسد که این الکترود ها در اندازه ی نانوساخته شوند.

6. کمک در زمینه ی جراحی(surgical aides)

6. 1. ابزار آلات جراحی (operating tools)

وسایل پزشکی که دارای تکنولوژی های نانو و میکرو هستند به جراحان اجازه می دهند تا در حین عمل جراحی با دقت و ایمنی بیشتر کار کنند. ضمناً آنها می توانند پارامترهای بیومکانیکی و فیزیولوژی را با دقت بیشتری در دست داشته باشند. و علاوه برکارهایی که با وسایل قبلی نیز می توانستند انجام دهند بواسطه ی استفاده از تکنولوژی ها ی مدرن می توانند وظایف جدیدی را نیز انجام دهند. جراحی می توانند از لحاظ فیزیکی برای بیمار و جراح طاقت فرسا باشد.جراحی باز مانند عمل های قلب نیازمند یک جراح است که برش های بزرگی در پوست و ماهیچه های زیرین، نگاه کردن به قلب از بین قفسه سینه، باز کردن دنده ها دارد که این کار نیازمند ابزار آلات پزشکی متنوعی است . نه تنها بیمار درد بسیار زیادی را باید تحمل کند و در بدن آن جای عمل جراحی باقی می ماند و زمان درمان طولانی را باید تحمل کند بلکه جراح نیز باید برای ساعت ها با دقت بسیار بر روی میز جراحی متمرکز شود. این مساله باعث می گردد که احتمال خطاهای جراحی به خاطر خستگی گردن و پشت جراح زیاد گردد.
برای بهبود نتیجه ی جراحی( هم برای بیمار و هم جراح)، ساده ترین راه کار در روش های جراحی که به طور روز افزون مورد استفاه قرار می گیرد، استفاده از تکنیک های لاپروسکوپی(technique LaBroscopic) است.در این تکنیک ها از پورت کوچکی استفاده می شود که به داخل فضاهای مورد نظر جراح می روند. یک تلسکوپ لوله یا همراه با یک دوربین و دیگر وسایل جراحی نازک برای ایجاد محیط مانور در بدن استفاده می گردد.
حتی با مزایای عالی، روش جراحی لاپروسکوپی موجب می گردد که تغییرات عمده ای در مهارت های مورد نیاز جراح پدید آید و دسترسی جراح نیز به بدن محدود گردد. ضمناً راهنمایی های بصری بدست آمده از دوربین دو بعدی است و جراح باید با دقت زیادی با وسایل لاپروسکوپی کار کند تا بتواند در موقع جراحی با بافت های ظریف کار کند.
تکنولوژی های نانو میکرو برای بهبود نقش جراح به کار گرفته شد ه اند که در زیر برخی از این زمینه ها آورده شده است:
1. 1. 6 . ابزار آلات هوشمند(Smart instruments) ابزازهای پزشکی مانند چاقوی جراحی، پنس ها و...به سنسورهای بسیار کوچک مجهز می گردند که اطلاعات در هر لحظه به مرکز پردازش ارسال می گردد. که این اطلاعا ت در حین عمل به جراحان کمک می کنند. جراحان می توانند داده های مربوط به نیرو و عملکرد ابزار آلاتشان را لحظه به لحظه داشته باشند و از این داده ها به نوع بافت های بریده شده( مثل استخوان ، ماهیچه و...) توسط ابزار الات پی ببرند. همچنین برخی خواص دیگر از بافت ها مانند دانستیه، دما، فشار و پالس های الکتریکی نیز بواسطه ی داده های ارسالی بدست می آید. Verime tra در حال توسعه ی نوع پیشرفته ای از چاقو های داده ای (Data knife) است .این چاقوها دارای سیستم های میکرو الکترومکانیکی جراحی و منطقی است که با دادن اطلاعات اضافی به جراح در طی عمل جراحی به کمک جراحان می آیند . این سیستم ها مجهز به الکترود های شبیه سازی هستند و با بخش های التراسونیک عمل اندازه گیری و برش را انجام می دهند.
ابزار آلاتی نیز توسعه یافتند که به جراحان بخش های عصبی کمک می کنند تا در هنگام عمل با دقت و ایمنی بیشتری کار کنند.
نانوذرات نیز برای جراحی هدایت شونده ی اپتیکی(optically guiding surgery) مورد بررسی قرارگرفته اند. این مواد پتانسیل برگرداندن آثار جراحی و محل های معیوب را دارند.
2. 1. 6. روبات های جراح(surgical Robotics)سیستم های رباتیک جراحی طراحی گشته اند که می توانند کارجراحان را انجام دهند این سیستم ها به طور خاص برای جراحی ها در مناطق نظامی مناسب هستند.
به جای انجام عمل جراحی با دستها و انگشتان جراح ، جراح می تواند از یک کنترل کننده ی جویستیک برای انجام عمل جراحی استفاده کند. در واقع با حرکت دسته ی جویستیک، دو بازوی رباتیک که دارای ابزار آلات کوچک است، حرکت می کنند. ابزار آلات دو بازوی روباتیک بوسیله ی پورت هایی به داخل بدن فرد بیماری داخل می شود. سیستم کنترل ربات به گونه ای است که حرکت بزرگ دست جراح بر روی دسته ی جویستیک به حرکت خیلی کوچک ابزار آلات بازوی ربات تبدیل می شود. که این امر موجب افزایش دقت و ایمنی جراحی می شود.
یک بازوی رباتیک سومی نیز وجود دارد که یک دوربین کوچک را کنترل می کند .این دوربین از یک شکاف کوچک بداخل بدن بیمار می رود و تصاویر با بزرگنمایی بسیار بالا از محل جراحی را به صفحه ی کنترل جراحی می فرستد.
جراح در طی کار با این وسیله در یک محیط بدون استرس فیزیکی قرار گرفته و از یک میز فرمان که در آن کلیه ی اطلاعات حیاتی بیمار وجود دارد، ربات را کنترل می کند.

7. ابزار آلات تشخیصی(Diagnostic tools)

1. 7. تست ژنتیک(Genetic testing)

تکنولوژی های میکرو و نانو راه حل هایی برای افزایش سرعت و دقت شناسایی ژن ها و مواد ژنتیکی ارائه کرده اند. این تکنولوژی ها نقش موثری در کشف داروها و توسعه ی آنها داشته و برای محصولات تشخیص بیماری ها کاربرد دارند.
هزاران ژن و محصولات آنها( مانند RNA و پروتئین ها) به روش پیچیده و مرکب کار می کنند. تکنولوژی های تست ژنتیک که برای کشف داروها و محصولات تشخیصی استفاده می شوند. این مسئله را ممکن می سازند که ترتیب ژنی، تغییرات ژنی و میزان فراوانی ژن ها اندازه گیری گردند. در واقع این پارامترها جزء پارامترهای مهم در رفتار ، متابولیسم ، رشد و سازگاری سیستم های زنده هستند. تشخیص با ابزار آلات کوچک(نانو و میکرو) باعث شناسایی ژنها و الگوی وضعیتی در بافت های سالم و بیمار می گردد. که این بررسی وضعیت ژنتیک برای انواع مختلف بیماری ها قابل ثبت است.
تکنولوژی های نانو و میکرو می توانند راه حل های جدیدی در تست های ژنتیک ارائه کنند.
1. 1. 7. تکنیک های آشکار و برچسب زنی بسیار حساسچندین تکنولوژی جدید برای بهبود قابلیت آشکار سازی و برچسب زنی ژنهای ناشناس هدف، توسعه یافته است. در Genicon ، پروب های تولید شده از نانو ذرات طلا با مواد شیمیایی عمل آوری می شود و به مواد ژنتیکی هدف متصل می گردند. وقتی نمونه در معرض نور قرار گیرد، این نانو ذرات شروع به درخشش می کنند.
در پژوهش دیگری که بوسیله ی Nanospherschad Mirkin انجام شده است، پروب ها ی نانو ذرات طلا با رشته های نوکلئوئید پوشش داده می شوند که این رشته ها متمم یک انتهای رشته در نمونه هستند و انتهای دیگر این نوکلئوئیدها به سطح بین دو الکترود متصل گشته است. اگر متمم های هدف موجود باشد، به سطح نابوپروب و به شکل یک بالون متصل گشته و هنگامی که پروب ها از محلول نقره عمل آوری گردد، پل الکترودی پدید آمده و جریان حاصل می گردد.
Quantum Dot Dot Corp از کوانتوم دات ها برای آشکار سازی مواد زیستی بهره می گیرد. در این روش با تغییر سایز کوانتوم دات ها رنگ تغییر می کند. که این تغییر رنگ باعث شناسایی و آشکار سازی عوامل ژنتیکی می گردد . این تکنیک از روش های فلئورسنت حساس تر است و می تواند ژن های با فراوانی کمتر را نیز آشکار کند. این روش نیازمند ابزار الات ارزان تری است . در این روش نیاز به تقویت ژنی نیست و از این جهت این روش نتیجه را در زمان کمتری به ما می دهد.

2. 7. تصویر برداری(Imaging)

تکنولوژی های نانو و میکرو ، تکنیک های تصویر برداری جدیدی ارائه کرده است که این تکنیک ها تصاویر با کیفیت بالا تولید می کند که با وسایل کنونی نمی توان این تصاویر را تهیه کرد.
تومورهای بدخیم در مراحل اولیه ی ایجادشان به شدت متمرکزند و اگر در مراحل اولیه شناسنایی شوند، درمانشان در اغلب موارد به راحتی انجام می شود.
هرچه زمان وجود این تومور بدخیم در بدن بیشتر باشد احتمال سرایت سرطان به غدد لنفاوی و سایر ساختارهای آناستی بیشتر می شود. جراحی ، شیمی درمانی یا دوزهای بالای تابش های رادیو اکتیو ممکن است سرطان را از بین ببرد اما مشکل این درمان ها از بین رفتن شدید بافت های سالم است.در بسیاری از بیماران، به طور خاص آنهایی که سرطان پستان دارند، سرطان می تواند در دیگر قسمت های بدن حتی پس از برداشتن تومور سرطانی اولیه ، پخش شود.
تومورهای مغزی ازچالش های دیگر است. برداشتن تومورها و دیگر سلولهای سرطانی از مغز بوسیله ی جر احی دارای ریسک کردن کم شدن قابلیت دانستن (cognitive ability) ، شنیدن ، صحبت کردن و دیگر عملکرد های انسان است. داروهای شیمی درمانی می تواند سلولهای سرطانی را از بین ببرد ولی به دلیل اندازه ی بزرگ ذرات دارویی، توان عبور دارو از غشاء مغزی وجود ندارد.
نانو تکنولوژی می تواند راه حل های جدیدی برای شناسایی سرطان و دیگر بیماری ها در مراحل اولیه داشته باشد. تکنولوژی های تکمیل کننده می تواند سلولهای سرطانی را تخریب کرده که در این روش ها اندازه کوچک مساله ای مهم است.
1. 2. 7. پروب های نانو ذرات(Nanoparticle probes)محققین دانشگاه میشیگان درحال توسعه ی نانو پروب هایی هستند که از آنها می توان در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی(MRI) استفاده کرد. نانو ذرات با یک هسته مغناطیسی به یک آنتی بادی سرطانی متصل می گردد که این سیستم ها برای جذب سلولهای سرطانی استفاده می شود. در این روش همچنین به یک رنگ دانه متصل می شوند که این مسئله موجب آشکار سازی بالاتر در MRI می شوند.
هنگامی که نانو پروب ها با سلولهای سرطانی جفت شوند، می توانند در MRI آشکار سازی شوند. سلولهای سرطانی را سپس بوسیله ی لیزر می توان تخریب کرد و یا آنها را با عوامل کشنده ی با دوز پایین( که تنها به سلولهای سرطانی متصل می گردند) تخریب کرد.
در تومورهای مغزی، حضور سرطان می تواند باعث ضعیف شدن غشاء مغزی- خونی(barrier blood– brain) شود. تحقیقی انجام شده است که در آن از نانو پروب های عبوری از غشاء ضعیف شده برای تخریب بافت های مغزی سرطانی استفاده می گردد.
گروه دیگری در دانشگاه واشنگتن از نانو ذرات متصل به پروتئین های خونی برای تخریب تومورها استفاده کرده است در واقع این پروتئین ها ی خونی جزء بخشی از خون هستند که وظیفه رساندن مواد غذایی را به سلولهای سرطانی دارند. این نانو ذرات در جریان خون پخش می گردند و به پروتئین های متمم موجود در رگ های خونی متصل می گردد. در مرحله ی اولیه شیمی درمانی ، داروها به داخل مویرگ ها منتقل می گردد. سپس نانوذرات از رگ های خونی به مکان های سرطانی انتقال می یابد.
نانو تکنولوژی همچنین برای بهبود کنتراست دستگاه MRI استفاده می شود تصاویر حاصله از روش های جدید می تواند کنتراست را تا 50 برابر بهبود دهند و در صورت موفقیت آمیز بودن این تحقیق ، می توان قدرت میدان مغناطیسی مورد استفاده در این روش را کاهش داد.
2. 2. 7. وسایل تصویربرداری بسیار کوچک(miniature Imaging Devicos)وسایل وایرس بسیار کوچک بوسیله ی تکنولوژی های نانو ومیکرو توسعه یافته اند. مزیت این تکنولوژی ها ایجاد تصاویر با کیفیت بالااست که به روش های سنتی تصویر برداری قابل انجام نیست.
GivenJmaging یک قرص شامل سیستم ویدئویی کوچک تولید کرده است .هنگامی که این قرص بلعیده شود و از میان سیستم گوارش حرکت کند می تواند هر چند ثانیه یک تصویر گرفته وآن را به بیرون ارسال کند. این تکنولوژی می تواند تصاویری را از بخش های حساس دستگاه گوارش مانند تومورها، زخم ها و نواحی بیماری ارسال کند که با تکنیک های آندوسکوپی و کلونوسکوپی نمی توان آنها را به دست آورد.
کمپانی دیگری با نام MediRed در حال توسعه ی دستگاه اشعه ی ایکس بسیار کوچکی هستند که می تواند به داخل بدن برود.آنها در حال تحقیق برای ساخت نانو تیوپ های کربنی هستند. این نانو تیوپ ها به شکل کاتد سوزنی شکل هستند و می توانند نشر الکترونی ایجاد کنند که باعث تولید پرتو اشعه ایکس بسیار کوچکی می شود. این اشعه ی x تولیدی به حدی کوچک است که تنها نواحی مورد نظر را تحت تاثیر قرار داده و به بافت های اطراف آسیبی نمی رساند.
منبع انگلیسی :Nanomedicine Taxonmy / Neil Gordon & uri Sagman / Canadian NanoBusiness Alliance

آینده زیر سایه نانو

آینده زیر سایه نانو

نانو فناورى در تعریفى بسیار ساده ، یعنى تکنولوژى هایى که در ابعاد نانومترى عمل مى کنند. نانومتر واحد اندازه گیرى است و برابر یک میلیاردم متر یا ۱۰به توان ۹-متر است . اندازه اتم ها و مولکول ها در این محدوده قرار دارد، بنابراین با ورود به این فضاى کوچک بشر مى تواند در نحوه چینش و آرایش اتم ها و مولکول ها دخالت کند و به ساخت مواد جدید و ساختارهایى متفاوت با آنچه تاکنون وجود داشته است بپردازد.
تولید نانو تیوب هاى کربنى (ساختارهاى لوله اى کربنى) ماده اى در اختیار بشر قرار داد که رساناتر از مس، مقاوم تر از فولاد و سبک تر از آلومینیوم است. همچنین با استفاده از نانو ذرات مى توان سطوح خود تیزشونده یا همیشه تمیز ساخت و ربایش مغناطیسى را چندین برابر کرد. لاستیک هاى با عمر بالاى ۱۰ سال و دارورسانى به تک سلول هاى آسیب دیده در بدن از توانایى هایى است که بشر به مدد نانوفناورى به آن دست یافته است. اگر بپذیریم که نانو فناورى توانمندى تولید مواد، ابزارها و سیستم هاى جدید، با در دست گرفتن کنترل در سطوح اتمى و مولکولى و استفاده از خواص آن سطوح است آنگاه درخواهیم یافت که کاربردهاى این فناورى در حوزه هاى مختلف اعم از غذا، دارو، تشخیص پزشکى، فناورى زیستى ، الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژى ، محیط زیست و امنیت ملى خواهد بود به گونه اى که به زحمت مى توان عرصه اى را که از آن تأثیر نپذیرد معرفى کرد.
هرچند آزمایش ها و تحقیقات پیرامون نانو تکنولوژى از ابتداى دهه ۸۰ قرن بیستم به طور جدى پیگیرى شد، اما اثرات تحول آفرین و باورنکردنى نانوفناورى در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر همگى کشورهاى بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناورى نانو را به عنوان یکى از مهم ترین اولویت هاى تحقیقاتى خویش طى دهه اول قرن بیست و یکم محسوب کنند. لذا محققان ، اساتید و صنعتگران ایرانى نیز باید در بسیجى همگانى، جایگاه و وضعیت خویش را درباره این موضوع مشخص کنند و با یک برنامه ریزى علمى و کارشناسانه به حضورى فعال و حتى رقابتى دراین جایگاه ابراز وجود کنند. زیرا بسیارى از صاحب نظران و محققان، نانوفناورى را مساوى آینده دانسته اند به عبارت دیگر مى توان گفت، اولویت کشور، هر صنعت و فناورى که باشد بدون تسلط بر ابعادنانو، در دنیاى جدید نمى توان در آن صنعت و فناورى حرفى در دنیا زد. ماهیت فرارشته اى علوم و فناورى نانو به عنوان توانمندى تولیدمواد، ابزارها و سیستم هاى جدید با دقت اتم و مولکول، موجب کاربردهاى بسیار زیادى در عرصه هاى مختلف علمى و صنعتى شده است.

براى مثال در بخش پزشکى و بهداشت از زمینه هاى کارى بسیار مهم نانوفناورى، سیستم توزیع دارو درداخل بدن است . مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمى است در حالى که سلول هاى خاصى از بدن نیازمند آن هستند ، در روش جدید دارو با وسایل تزریق متفاوت با امروزه، به صورت مستقیم به سمت سلول هاى مشخص جهت گیرى شد و دارو به محل نیاز تحویل داده مى شود. از نظر دفاعى نیز این فناورى براى کشورها هم فرصت و هم تهدید است. به لحاظ کاربردهاى زیاد این فناورى گرایش زیادى در بخش دفاعى کشورها به تحقیق و توسعه صورت گرفته است. این کاربردها از لباس هاى مانع خطر تا پرنده هاى بسیار کوچک تجهیزات اطلاعاتى و بسیارى موارد دیگر است که هم اکنون با حمایت وزارتخانه هاى دفاع کشورهایى چون آمریکا ، ژاپن و برخى کشورهاى اروپایى به صورت طرح هاى تحقیقاتى در حال انجام هستند. نانوفناورى، تغییر بنیانى مسیرى است که در آینده موجب ساخت مواد جدیدخواهد شد و انقلابى در مواد ایجادخواهد کرد که محققان قادر به ساخت موادى خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمى مرسوم نیز قادر به ایجادشان نیست.
برخى از مزایاى مواد نانوساختار، عبارت است از مواد سبک تر، قوى تر، قابل برنامه ریزى، کاهش هزینه عمر کارى از طریق کاهش دفعات نقص فنى ابزارهایى نوین برپایه اصول و معمارى جدید، صنعت خودرو و لوازم خانگى بااستفاده از این فناورى جدید در درازمدت مى توان تومورهاى مغزى را به درستى تشخیص داد و نیز بدون آسیب زدن به بافت هاى سالم و با استفاده از پرتو درمانى این بیمارى را بهبود بخشید، نانو کپسول هاى تولیدى با استفاده از فناورى نانو، داراى موادى مانند ویتامین A ، رتینول و بتاکاروتن خواهد بود که باید به لایه هاى عمقى پوست منتقل شوند تا بیشترین خواص ضدپیرى و سایر خواص دارویى خود را بروز دهند. با کارگذارى نانو ذرات فعال نورى در داخل گلبول هاى سفید خون موفق به شناسایى سلول هاى آسیب دیده خواهیم شد. در زمینه انرژى مى تواند به طور قابل ملاحظه اى کارآیى ، ذخیره سازى و تولید انرژى را تحت تأثیر قرار داده و مصرف انرژى را پایین بیاورد.
به عنوان مثال شرکت هاى موادشیمیایى، موادپلیمرى تقویت شده را ساخته اند که مى تواند جایگزین اجزاى فلزى بدنه اتومبیل ها شود. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت ها مى تواند سالیانه ۱ ‎ / ۵ میلیارد لیتر صرفه جویى مصرف بنزین به همراه داشته باشد.

چندمحصول تجارى شده با استفاده از فناورى نانو

در زیر چند محصول برتر نانو فناورى در سال ۲۰۰۳ طبقه بندى شده است. این خبر نشان مى دهد کسانى که هنوز معتقدند نانو فناورى فقط در آزمایشگاه است، اشتباه مى کنند.

پارچه هاى ضدچروک و ضدلکه

شرکتى با اضافه کردن ساختارهاى مولکولى به الیاف کتان، الیافى ساخته است که مایعات و لکه ها برروى آنها حرکت کرده و جذب نمى شوند. بنابراین چنانچه قهوه برروى شلوار سفیدرنگى ریخته شود به طرز شگفت آورى روى آن حرکت کرده و جذب نمى شود.

محافظت پوست، با قابلیت نفوذ عمیق

یکى از بزرگ ترین شرکت هاى تولیدکننده موادآرایشى در جهان نخستین محصول نانوفناورى خود را در سال ،۱۹۹۸ معرفى کرد. این محصول کرم ضدچروک Plenitude Revitalift است که در تولید این کرم از یک فرآیند انحصارى نانو فناورى به منظور داخل کردن ویتامین A به درون یک کپسول پلیمرى استفاده شده است. کپسول مانند اسفنج ،کرم را درون خود جذب و نگهدارى مى کند تا این که پوسته بیرونى آن در زیرپوست حل شود.

عینک هاى آفتابى با کیفیت بالا

شرکتى دیگر با استفاده از نانو فناورى، پوشش هاى پلیمرى بسیارنازک، ضدانعکاس و حفاظتى براى عینک ها ساخته است بطورى که شیشه آنها در مقابل خراشیدگى مقاومت داشته و ضدانعکاس نیست این پوشش چربى ها و لکه ها را از روى عدسى ها برطرف و عدسى ها را حساس تر مى کند.

نانو جوراب

نه فقط ورزشکارها بلکه اکثر مردم از عرق پا رنج مى برند و نمى توانند آن را تحمل کنند بطور طبیعى هر پا داراى ۲۵۰هزار غدد عرقى است که قادرند حدود ۵۰۰ میلى لیتر عرق در روز تولید کنند.
به تازگى جوراب هایى از جنس کتان که به وسیله نانو ذرات نقره، بهبود یافته اند به وسیله شرکت سول، وارد بازار شده است که این ذرات نقره از رشد باکترى ها و قارچ ها جلوگیرى کرده و بدین وسیله از چرب شدن و بدبوشدن پا جلوگیرى مى کنند.

کرم هاى ضدآفتاب

مصرف کرم هاى ضدآفتاب معمولى پوست را به قدرى سفید مى کند که حالت نامناسبى پیدامى کند. این سفیدى ناشى از اکسید روى است که از پوست دربرابر هردونوع اشعه ماوراى بنفش A و B خورشید محافظت مى کند. جهت حل این مشکل شرکت BASF ماده اى با کمک فناورى نانو، ساخته است که سبب تولید نانو کریستال هاى اکسیدروى با خلوص بالا تهیه شده و این امر منجر به افزایش مرغوبیت کرم هاى ضد آفتاب مى شود از دیگر مزایاى این کرم ها این است که به وسیله پوست جذب نشده و ایجاد آلرژى نمى کند.

انقلاب در دنیای نانو تکنولوژی

انقلاب در دنیای نانو تکنولوژی
روش تهیه ارزان نانولوله های کربنی

نانو تکنولوژی شاخه ای علمی است که همواره در حال گسترش است و به نظر می رسد به زودی ، کاربرد آن در زندگی در همه زمینه ها فراگیر خواهد شد در آزمایشگاه دانشگاه تگزاس در دالاس ، فعالیت های پژوهشگران این دانشگاه بر روی لوله های نانومتری کربن ، آینده خوبی را برای کاربردهای این تکنولوژی پیش بینی می کند. نانو لوله های کربنی (کربن نانو تیوپس) لوله هایی از جنس کربن هستند و قطر آن ها حدود ده میلیارد متر است. این نانو لوله ها در هر کاری اعم از ماهیچه های مصنوعی تا پوشش صفحه مانیتور ، مورد استفاده قرار می گیرند.
یکی از کشفیات جدید و مهیج در مورد کاربرد این نانو لوله ها ، استفاده از آن ها در لامپ است . پژوهشگران دانشگاه تگزاس ، توانسته اند با به کار بردن این نانو لوله ها در لامپ ، وسایل جدیدی برای تولید روشنایی بسازند. از این لامپ ها می توان در هر جا ، حتی درون دستکش یک سرباز در میدان جنگ استفاده کرد. نانو لوله ها توانایی بسیار بالایی در انتقال برق از خود نشان می دهند. ولی کربن نانو تیوپس با کیفیت بالا بسیار پر هزینه است و کاربرد آن می تواند توأم با اشکالاتی باشد.
حالا یک تحول در تکنولوژی نانو لوله ها ممکن است به این مشکل پایان دهد. پژوهشگران در دالاس ، روشی برای ساختن نوارهای ماده اصلی به وجود آورده اند که تقریبا به آسانی و به سرعت ، ورقه های نانو لوله ها را صیقل می دهد.
دکتر ری بگمن از بخش آزمایشگاه نانو تکنولوژی دانشگاه تگزاس می گوید: "جنبه خیلی جالب نانو لوله های کربنی ، این است که ترکیبی از عناصر دارند که به آن ها قابلیت انجام کارهای چند گانه می دهد . آن ها می توانند شفاف باشند یا دارای توانایی های غیر معمول نوری باشند. همچنین می توانند هادی و یا نارسانا باشند . ورقه های شفاف ، قوی تر از فولاد غنی شده هم وزن آن است . آن ها حتی توانایی تغییر نور به نیروی الکتریسیته را هم دارند. این ورقه ها که تازه ترین اختراع هستند، شفاف می باشند. آن ها به ضخامت یک هزارم موی انسان هستند ، ولی در عین حال ، قدرت قوی ترین فولاد را دارند . انتظار می رود این آخرین تحول ، کاربرد تجاری و صنعتی نانو لوله های کربنی را شتاب دهد . " دانشمندان می گویند حداکثر 2 تا 3 سال دیگر خواهند توانست نانو لوله های کربنی را به عنوان الکترودهای قابل انعطاف برای دریافت راه دور و نیز در وسایل پزشکی مورد استفاده قرار دهند.
منبع: نشریه همشهری جوان شماره 40