چگونه اورانیوم به انرژی تبدیل می شود؟

چگونه اورانیوم به انرژی تبدیل می شود؟

غنی سازی:

اورانیوم طبیعی اصولاً شامل مخلوطی از دو ایزوتوپ (نوع اتمی) از اورانیوم است. تنها 7/0 درصد از اورانیوم طبیعی شکاف پذیر و با دارای قابلیت شکاف پذیری است که با شکافته شدن در راکتورهای هسته‌‌‌‌‌‌ای انرژی تولید می‌کنند. ایزوتوپ اورانیوم شکاف پذیر اورانیوم نوع 225 (u-235) است و پس مانده آن اورانیوم 238 (u-238) است.
در بیشتر انواع راکتورهای معمولی هسته‌ای به اورانیوم 235 ( u-235) که اورانیوم با غلظت بیش از حد طبیعی است نیاز دارند. عملیات غنی سازی غلظت اورانیوم را بیشتر می‌کند عموماً بین 5/3 تا 5 درصد اورانیوم 235 با بیرون آوردن 8 درصد از اورانیوم 238 این عمل را جداسازی گازی هگزافلورید اورانیوم در دو جریان انجام می‌گیرد یکی به اندازه لازم غنی سازی می‌شود و اورانیوم غنی سازی ضعیف نامیده می‌شود و دیگری به اورانیوم 235 منتهی می‌شود که به پس مانده معروف است.
در عملیات غنی سازی د رمقیاس‌های بزرگ تجاری وجود دارد، که هر کدام هرگزافلورید اورانیوم به عنوان منبع استفاده می‌کنند: نفوذ گازی و تفکیک گازی و هر دوی آنان از خواص فیزیکی مولکولی استفاده می‌‌کنند. مخصوصاً با 10 درصد اختلاف جرم برای جداسازی ایزوتوپ ها محصول این مرحله از چرخه هسته‌ای اورانیوم هگرافلورید غنی شده است که برای تولید اورانیوم اکسید غنی شده تغییر حال مجدد می‌ یابد.

تولید و ساخت سوخت

سوخت راکتور غالباً به شکل گلوله‌ای سرامیکی است. این گلوله‌ها از اورانیوم اکسید که در دمایی بسیار بالا(بیش از 1400 درجه سانتیگراد) پخته شده است شکل می‌گیرند. سپس گلوله‌ها در لوله‌‌ های فلزی از میله سوختنی پوشانده می‌شوند که در مجتمع‌های سوختنی برای استفاده در راکتورها آماده هستند. دیمانسیون گلوله‌‌ های سوختنی و اجرای دیگر مجتمع سوختنی به دقت کنترل می‌شوند تا از پایداری و دارا بودن آنان از خصوصیات دسته‌های سوختنی اطمینان حاصل می‌شود.
در تاسیسات تولید سوخت توجه زیادی به شکل و اندازه مخزن های عملیاتی می‌‌شود تا از اتفاقات خطرناک جلوگیری شود.(یک زنجیر محدود واکنش پرتو آزاد می‌‌کند) با سوخت غنی شده ضعیف امکان اتفاق افتادن این حوادث بعید به نظر می‌رسد اما در تاسیسات هسته‌ای بررسی سوخت های مخصوص برای تحقیقات راکتورها عملی حیاتی است .

تولید نیرو

درون یک راکتور هسته‌‌‌ای اتم های اورانیوم 235 ( u-235) شکافته می‌‌شوند و در جریان عملیات پردازش انرژی آزاد می‌کنند این انرژی اغلب برای حرارت دادن آب و تبدییل کردن آن به بخار استفاده می‌شود.
بخار توربینی را که ژنراتور متصل است به حرکت می‌اندازد و باعث تولید الکتریسیته می‌شود. مقداری از اورانیوم (238 (u-238) به شکل سوخت ) در هسته‌ و مرکز راکتور به پلوتونیوم تبدیل می‌شود و این یک سوم انرژی در یک راکتور هسته‌ای معمولی را حاصل می‌کند شکافتن اورانیوم به عنوان منبع حرارت در راکتورها استفاده می‌شود همان گونه که سوزاندن زغال سنگ و یا نفت به عنوان سوخت فسیلی در تاسیسات نیرو استفاده می‌شود.

سوخت مصرف شده(خرج شده)

با گذشت زمان غلظت قطعات و عناصر سنگین شکافته شده مانند پلوتوبیوم در مجموعه سوخت افزایش خواهد یافت تا جایی که دیگر هیچ سودی در استفاده دوباره از سوخت نیست. بنابراین پس از گذشت 12 الی 24 ماه سوخت مصرف شده از راکتور خارج می‌‌شود. مقدار انرژی که از مجموعه سوختنی تولید شده است با نوع راکتور و سیاست و کاردانی گرداننده راکتور تغییر می‌‌کند.
معمولاً بیش از 45 میلیون کیلو وات ساعت الکتریسیته از یک تن اورانیوم طبیعی تولید می‌‌شود تولید این مقدار انرژی الکتریکی با استفاده از سوخت‌های فسیلی ملزم به سوزاندن بیش از 20 هزار تن زغال سنگ سیاه و 30 میلیون متر مکعب گاز است.

انبار کردن سوخت مصرف شده

وقتی یک مجموعه سوختنی از راکتور خارج می‌شود از خود پرتو ساطع می‌کند که اساساً بیشتر از شکافتن قطعات و حرارات آن است. سوخت مصرف شده فوراً در استخرهای انبار که در اطراف راکتور برای کاهش میزان پرتوزایی آن است تخلیه می‌‌شوند در استخرها، آب جلوی پرتوزایی را می‌گیرد و همچنین حرارت را به خود جذب می‌کند.
سوخت مصرف شده در چنین استخرهایی برای ماه‌ها و یا سال‌ها نگه داشته می‌‌شوند.
وابسته به سیاست کشورهای مختلف در بعضی از آنها مقداری از سوخت مصرف شده به امکانات و تاسیسات انبار مرکزی انتقال می‌‌‌ یابند. سرانجام مصرف شده یا باید دوباره پردازش شود و یا برای دفع آماده شود.

پردازش دوباره

سوخت مصرف شده چیزی حدود 95 درصد اورانیوم 238 است ولی دارای حدود یک درصد اورانیوم 235 که شکافته شده نیز نیست و در حدود یک درصد بلوتونیوم و سه محصولات شکافته شده که در حد زیادی پرتوزا هشتند و دیگر عناصر تزورانیک (که عدد اتمی بیشتری نسبت به اورانیوم دارد) که در راکتور شکل گرفته‌اند در دستگاههای دوباره سازی سوخت مصرف شده است به سه جزء تشکیل دهنده خود تفکیک می‌شوند: اورانیوم و پس مانده که شامل محصولات شکافته شده است دوباره سازی امکان بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم به سوخت تازه را می‌دهد و بخش عمده‌ ای از پس مانده کاهیده را تولید می‌‌کند. (مقایسه با به حساب آوردن کل سوخت مصرف شده به عنوان پس مانده)

بازسازی مجدد اورانیوم و پلوتونیوم

اورانیوم حاصل از دوباره سازی که معمولاً غلظتی کمی بیشتر از اورانیوم 235 دارد و در طبیعت رخ می‌دهد. می‌تواند اگر نیاز باشد پس از تبدیل کردن و غنی شدن به عنوان سوخت استفاده شود پلوتونیوم می‌تواند مستقیماً به MOX (سوخت مخلوط اکسید) تبدیل شود که در آن اورانیوم و پلوتیوم مخلوط شده‌‌اند.
در راکتاورهایی که از سوخت MOX استفاده می‌کنند بلوتونیوم به جای اورانیوم 235 جانشین سوخت اورانیوم اکسید و معمولی می‌‌شود.

دفع سوخت مصرف شده

در حال حاضر هیچ گونه امکاناتی برای دفع سوخت مصرف شده (برخلاف امکانات انبارسازی) وجود ندارد که برای دوباره سازی استفاده می‌شود و پس مانده به جا مانده از دوباره سازی می توانند در محلی انباشته شوند. هر چند نتایج فنی و تکنیکی مرتبط با دفع سوخت ثابت کرده‌اند که هیچ احساسی به تاسیس چنین امکاناتی در برابر حجم کم پس مانده‌ها نیست. انبار کردن با توجه به کاهش در حال رشد پرتوزایی برای مدت طولانی آسان‌تر است. همچنین مقاومت مغناطیسی در سوخت دفع شده وجود دارد. چون منبع توجهی از انرژی در آن است که می‌‌‌تواند دوباره فرآوری شود و امکان بازیافت دوباره را به اورانیوم و پلوتونیوم بدهد.
تعدادی از کشورها در حال انجام مطالعاتی در زمینه تصمیم گیری بهترین راه برای نزدیک شدن به دفع سوخت مصرف شده و پس مانده‌های پس از دوباره‌‌سازی هستند. روش متداولی که امروزه استفاده می‌‌‌شود قرار دادن سوخت مصرف شده در انبارهای زیر زمینی است:

پس مانده‌‌ها

پس مانده‌‌های حاصل از چرخه سوختنی هسته‌‌‌‌ای در رده‌‌‌‌‌های: شدید، متوسط و کم دسته‌بندی می‌‌‌شوند و این تقسیم بندی بر اساس تشعشعات رادیواکتیوی که از خود ساطع می‌‌‌‌‌کنند، است.
این پس مانده‌‌‌ها منابعی سرچشمه می‌گیرند که شامل موارد زیر است:
پس مانده‌‌های رده پائین (LOW-level) که در تمام مراحل چرخه سوختنی تولید می‌‌‌‌‌شوند.
پس مانده‌‌‌‌های رده متوسط (Intemediat-level) که در جریان عملکرد راکتور و دوباره سازی تولید می‌‌‌‌شوند.
پس مانده‌‌های رده بالا (High-level) که شامل محصولات شکافته شده حاصل از دوباره سازی و در بسیاری از کشورها خود سوخت مصرف شده هستند.
فرآیند غنی سازی تولیدات را به سوی تهی کردن اورانیوم هدایت می‌‌‌کند. غلظت اورانیوم 235 به طور عمده کمتر از 7/0 درصد است که در طبیعت پیدا می‌‌شود. تعداد کمی از این مواد که اصولاً اورانیوم 238 هستند زمانی استفاده می‌‌‌شوند که چگالی بسیار زیاد نیاز است. مثل استحفاظ پرتوافشانی و گاهی استفاده در تولید سوخت MOX در حالی که اورانیوم 238 قابل شکافتن نیست ماده‌‌‌ای پرتوافشانی کم استو باید در مورد آن احتیاط کرد. از این رو یا آن انبار و با دفع می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند.

میزان مواد موجود در چرخه سوختنی هسته‌‌‌ای

موارد زیر فرضیات مختلفی ایجاد می‌‌‌‌کنند.(پاورقی شماره 2 را ملاحظه فرمایید) اما مورد ملاحظه عملکرد راکتور انرژی هسته‌‌‌‌ای NWE1000 قرار می‌‌‌گیرند.
20000 تن از یک درصد سنگ معدن اورانیوم استخراج
230 تن اورانیوم اکسید غلیظ شده(همراه 195 تن اورانیوم ) آسیاب سازی
288 تن UF6 (همراه 24 تن اورانیوم ) تبدیل کردن
35 تن UF6 (همراه 24 تن اوارنیوم غنی شده)) غنی سازی
27 تن UO2 (همراه 24 تن اورانیوم غنی شده) ساخت و تولید سوخت
7000 میلیون کیلووات ساعت (KWh) نیروی الکتریسیته عملکرد راکتور
27 تن شامل 240 کیلوگرم بلوتونیوم 23 تن اورانیوم 720 کیلوگرم محصولات شکافتی همچنین ترانزورانیک سوخت مصرف شده.

پی نوشت :

1. غلیظ کننده‌‌های اورانیوم بعضی اوقات در شرایط قرار می‌گیرند که حجم آن(مخلوطی از دو محصول خالص حدودای 85 درصد فلز اورانیوم است.
2. غلظت اورانیوم 80 درصد است. غنی سازی در 4 درصد اورانیوم 235 به همراه 3 درصد دنباله آزمایش شده 80 درصدد برای عملکرد راکتور بارگزاری می‌شوند، در هسته راکتور 72 تن اورانیوم بارگزاری می‌‌‌شوند، سوخت گیری سالانه است و هر سال یک سوم سوت را عوض می‌کنند.

انتقال گرما به وسیله نانوسیالات

انتقال گرما به وسیله نانوسیالات

سیستم‌های خنک کننده، یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های کارخانه‌ها و صنایع و هر جایی است که به نوعی با انتقال گرما روبه‌رو می‌‌‌‌‌‌‌باشد. در این شرایط استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده پیشرفته و بهینه، کاری اجتناب‌ناپذیر است. بهینه‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسیله افزایش سطح آنها صورت می‌گیرد که همواره باعث افزایش حجم و اندازه این دستگاه‌ها می‌شود؛ لذا برای غلبه‌ بر این مشکل، به خنک کننده‌های جدید و مؤثر نیاز است و نانو سیالات به عنوان راهکاری جدید در این زمینه مطرح شده‌اند.
نانوسیالات به علت افزایش قابل توجه خواص حرارتی، توجه بسیاری از دانشمندان را در سال‌های اخیر به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی در هدایت حرارتی این سیالات ایجاد می‌کند؛ در حالی که برای رسیدن به چنین افزایشی در سوسپانسیون‌های معمولی، به غلظت‌های بالاتر از ده درصد از ذرات احتیاج است.
البته از سوسپانسیون نانوذرات فلزی، در دیگر زمینه‌ها از جمله صنایع دارویی و درمان سرطان نیز استفاده شده است.

تصاویر میکروسکوپی از نانو سیال مس (چپ)،
نانو ذرات اکسید مس (وسط)
ذرات کلوئیدی طلاسرب (راست)

انتقال حرارت در سیالات ساکن

خواص استثنایی نانوسیالات شامل هدایت حرارتی بیشتر نسبت به سوسپانسیون‌های معمولی، رابطه غیرخطی بین هدایت وغلظت مواد جامد و بستگی شدید هدایت به دما است. این خواص استثنایی، به همراه پایداری، روش تهیه نسبتاً آسان و ویسکوزیته یا گرانروی قابل قبول باعث شده تا این سیالات به عنوان یکی از مناسب‌ترین و قوی‌ترین انتخاب‌ها در زمینه سیالات خنک کننده مطرح شوند. بیشترین تحقیقات روی هدایت حرارتی نانوسیالات، در زمینه سیالات حاوی نانوذرات اکسید فلزی انجام شده است یکی از این پژوهش ها افزایش 30 درصدی هدایت حرارتی را با اضافه کردن 3/4 درصد حجمی آلومینا به آب نشان می‌‌‌‌‌‌‌دهد. البته در یک پژوهش مشابه دیگر، محققان به افزایش 15 درصدی هدایت گرمایی را برای همین نوع نانوسیال با همین درصد حجمی دست یافتند که مشخص شد تفاوت این نتایج ناشی از تفاوت در اندازه نانوذرات به‌کار رفته در این دو تحقیق بوده است. قطر متوسط ذرات آلومینای بکاررفته در آزمایش اول 13نانومتر و در آزمایش دوم 33 نانومتر بوده است.

خلاصه

خواص استثنایی نانوسیالات شامل هدایت حرارتی بیشتر نسبت به سوسپانسیون‌های معمولی، رابطة غیرخطی بین هدایت و غلظت مواد جامد و بستگی شدید هدایت به دما است.
خواص استثنایی، به همراه پایداری، روش تهیة نسبتاً آسان و ویسکوزیتة قابل قبول باعث شده تا نانوسیالات به عنوان یکی از مناسب‌ترین و قوی‌ترین انتخاب‌ها در زمینة سیالات خنک کننده مطرح شوند.
مقدار کمی (حدود یک درصد حجمی) از نانوذرات مس یا نانولوله‌های کربنی در اتیلن گلیکول یا روغن به ترتیب افزایش 40 و 150 درصدی در هدایت حرارتی این سیالات ایجاد می‌کند.
اصل این مقاله در ماهنامه شماره 109 فناوری نانو به چاپ رسیده است
منبع: nanoclub.ir

جهان ریاضیات در فضای نانو

جهان ریاضیات در فضای نانو

این مقاله می‌کوشد تا چالش های دنیای ریاضیات را در مواجهه با دنیای شگفت‌انگیز نانو بررسی کند. به عبارت دیگر، ریاضیات در معماری پازل نانو چه نقشی خواهد داشت؟ علوم نانو و فناوری نانو بیانگر رهگذری به سوی دنیایی جدید هستند. سفر به اعماق سرزمین اتمها و مولکولها نوید دهندة اثراث اجتماعی شگفت‌انگیزی است: در علوم بنیادین، در فناوریهای نو، در طراحی مهندسی و تولیدات، در پزشکی و سلامت و در آموزش.
پیش‌بینی‌های گسترده در حوزه کشفیات جدید، چالش ها، درک مفاهیم، حتی هنوز فرم و محتوای موضوع، مه‌آلود و اسرارآمیز است. این مقاله می‌کوشد تا چالش های دنیای ریاضیات را در مواجهه با دنیای شگفت‌انگیز نانو بررسی کند. به عبارت دیگر، ریاضیات در معماری پازل نانو چه نقشی خواهد داشت:
همگان بر این نکته توافق دارند که پیشرفت های بزرگ، مستلزم تعامل میان مهندسان، ژنتیست‌ها، شیمیدانان، فیزیکدانان، داروسازان، ریاضیدانان و علوم رایانه ای ها است. شکاف میان علوم و فناوری، میان آموزش و پژوهش، میان دانشگاه و صنعت، میان صنعت و بازار بر مجموعه تأثیرگذار خواهد بود. دلایل کافی مبتنی بر فصل مشترک میان نظام های کلاسیک و فرهنگ ها موجود است.
این انقلاب علمی و فناورانه، منحصر به فرد است. این بدین معنی است که می‌بایستی نه تنها در بعد علمی، که در سایر ابعاد، نیز زیرساختهای بنیادین با حداکثر انعطاف پذیری در برابر تغییرات را پیش‌گویی و پیش‌بینی کنیم.
دانش ریاضیات به عنوان خط مقدم جبهة علم مطرح است. ویژگی بدیهی ریاضیات در علوم نانو «محاسبات علمی» است. محاسبات علمی در فناوریی که به عنوان فناوری انقلابی مطرح شده است. محاسبات علمی در طول، تفسیر آزمایشات، تهیة پیش‌بینی در مقیاس اتمی و مولکولی بر پایة تئوری کوانتومی و تئوریهای اتمی است.
همانگونه که ریاضیات زبان علم است، محاسبات، ابزاری عمومی علم و کاتالیزوری برای تعاملات عمیق‌تر میان ریاضیات و علوم است. یک تیم محاسبات، دربارة مدلشان و اثر محاسباتشان و تطبیق‌پذیری آن با واقعیت، به بحث می‌پردازند. «‌محاسبات» رابطی میان آزمایش و تئوری است. یک تئوری و یک مدل ریاضی، پیش نیاز محاسبات است و یک آزمایش تنها اعتبار بخش هر نوع تئوری، مدل و محاسبات است.
مدلهای ریاضی، ستونهای راهگشا به سوی بنیاد علم و تئوریهای پیش بین هستند. مدلها، رابطهایی بنیادین در پروسه‌های علمی هستند و اغلب اوقات در سیستم‌های آموزشی به فاز مدلسازی و محاسبات، تأکید کافی نمی‌شود. یک مدل ریاضی بر پایة فرمولاسیون معادلات و نامعادلات اصول بنیادین استوار است و مدل درگیر با درک کامل پیچیدگیهای مسأله نظیر، جرم، اندازة حرکت و توازن انرژی است. در هر سیستم فیزیکی واقعی تقریب اجازه داده می‌شود، تا مدل را در یک قالب قابل حل عرضه کنند. اکنون می‌توان مدل را یا به صورت «تحلیلی» و یا بصورت «عددی» حل کرد. در این حالت مدلسازی ریاضی یک پروسه پیچیده است،زیرا می‌بایستی دقت و کارآیی را همزمان نشان دهد.
در علوم نانو و فناوری نانو، مدلسازی نقش محوری را بر عهده دارد، بویژه وقتی که بخواهیم عملکرد ماکروسکوپی مواد را از طریق طراحی در مقیاس اتمی و مولکولی کنترل کنیم، آن هم در شرایطی که درجات آزادی زیاد باشد. مدلسازی ریاضی یک ضرورت در این فضای مه آلود است. تفسیر داده‌های آزمایشگاهی یک ضروت حتمی است. همچنین برای هدایت، تفسیر، بهینه سازی، توجیه رفتارهای آزمایشگاهی، مدلسازی ریاضی ضرورت می‌یابد.
یک مدل مؤثر، راه رسیدن به تولیدات جدید، درک جدید رفتارشناسی، را کوتاه می‌کند و تصحیح گر هوشمندی است که از نتایج گذشته درس می‌گیرد.
مدل سازی نه تنها ویژگی منحصر به فرد ریاضیات است بلکه پلی بسوی فرهنگهای مختلف علمی است.
تئوری در هر مرحله از توسعة علم، نقش محوری دارد، ارزیابی حساسیت مدل به شرایط پروسه‌های فیزیکی ، و حصول اطمینان از اینکه معادلات و الگوریتمهای محاسباتی با شرایط کنترل آزمایشگاهی سازگارند، از چالشهای مهم است. تئوری نهایتاً بسوی تعریف نتایج و درک فیزیکی سیستم، میل خواهد کرد و اغلب اوقات ریاضیات جدیدی لازم نیست تا به منظور رسیدن به درک رفتار، ساخته شود.
عبور از تئوریهای موجود ارزشمند است و اغلب نیز اتفاق می‌افتد. زمانی مدلها، مشابه سیستم‌های شناخته شده هستند که دقت ریاضی بالایی را داشته باشند اما در جهان شگفت ‌انگیز نانو، مدلهای مختلف و جدید، چالشهای جدی را در دانش ریاضیات پدید می‌آورند. تئوریهای جدید در مقیاسهای زمانی غیر قابل پیش‌گوئی اتفاق می‌افتند و تئوریهای قدرتمند در قالبهای عمیق شکل می‌گیرند. میان‌برهای اساسی لازم است تا شبیه‌سازی صورت گیرد:
طراحی در مقیاس اتمی و مولکولی، کنترل و بهینه سازی عملکرد مواد و ابزار آلات، و کارآیی شبیه‌سازی رفتار طبیعی، از مهمترین چالشها است. این چالش‌ها نوید دهندة برهم کنشهای کامل میان حوزه‌های مختلف ریاضی خواهد بود.
آثار اجتماعی این چالش‌ها زیاد و متنوع خواهد بود.
منافع حاصل از مشغولیت ریاضیدانان فعال، توازن با چالش های اصلی در زمینه رشد زیرساختهای ریاضیات، تغییرات در ساختار آموزش ریاضیات، از جمله آثار ورود ریاضیات به دنیای شگفت انگیز نانو خواهد بود.
جامعه ریاضی می‌بایستی اصلاح شود: تئوریهای بنیادین، ریاضیات میان رشته‌ای و ریاضیات محاسباتی و آموزش ریاضیات.
ریاضیات چه حوزه‌هایی را در بر خواهد گرفت؟ الگوریتمهای اصلی در حوزه‌های ریاضیات کاربردی و محاسباتی، علوم کامپیوتر، فیزیک آماری، نقش مرکزی و میان بر ساز را در حوزة نانو بر عهده خواهند داشت.
برای روشن شدن موضوع برخی از اثرات ریاضیات را در فرهنگ نانو بررسی می‌کنیم: ـ روشهای انتگرال گیری سریع و چند قطبی سریع: اساسی و الزامی به منظور طراحی کدهای مدار ( White, Aluru, Senturia ) و انتگرال گیری به روش Ewala در کد نویسی در حوزه‌های شیمی کوانتوم و شیمی مولکولی ( Darden ۱۹۹۹)
ـ روشهای« تجزیه حوزه»، مورد استفاده در شبیه‌سازی گسترش فیلم تا رسیدن به وضوح نانوئی لایه‌های پیشرو مولکولی با مکانیک سیالات پیوسته در مقیاسهای ماکروسکوپیک ( Hadjiconstantinou )
ـ تسریع روشهای شبیه سازی دینامیک مولکولی ( Voter ۱۹۹۷)
ـ روشهای بهبود مش‌بندی تطبیق پذیر: کلید روشهای شبیه پیوسته که ترکیب کنندة مقیاسهای ماکروئی، مزوئی، اتمی ومدلهای مکانیک کوانتوم از طریق یک ابزار محاسباتی است ( Tadmor, Philips, Ortiz )
ـ روشهای پیگردی فصل مشترک: نظیر روش نشاندن مرحله‌ای Sethian, Osher که در کدهای قلم زنی و رسوب‌گیری جهت طراحی شبه رساناها مؤثرند ( Adalsteinsson, Sethian ) و نیز در کدگذاری به منظور رشد هم بافت ها ( Caflisch )
ـ روش های حداقل کردن انرژی هم بسته با روشهای بهینه سازی غیر خطی (المانی کلیدی برای کد کردن پروتیئن‌ها) ( Pierce& Giles )
ـ روش های کنترل (مؤثر در مدلسازی رشد لایه نازک‌ها ( Caflisch ))
ـ روش های چند شبکه‌بندی که امروزه در محاسبات ساختار الکترونی و سیالات ماکرومولکولی چند مقیاسی بکار گرفته شده است.
ـ روش های ساختار الکترونی پیشرفته ، به منظور هدایت پژوهشها به سمت ابر مولکولها ( Lee & Head – Gordon )
منبع: ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت مواد غذایی

کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت مواد غذایی

●مقدمه

برگزاری همایش‌‌هایی با موضوع فناوری‌نانو، راه‌اندازی کنسرسیوم‌هایی برای مواد غذایی بهتر و سالم‌تر، همچنین بالا بردن آگاهی مردم از طریق رسانه‌ها، مؤید تأثیرگذاری فناوری‌نانو بر صنایع غذایی است. انواع کاربردهای نانو در این زمینه شامل بسته‌بندی‌های هوشمند، مواد نگهدارنده و مواد خوراکی تعاملی ( interactive ) است، که به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهد موادغذایی را با توجه به ذائقه و نیازغذایی مورد نظرشان تغییر دهند.
بیشترغول‌های تولید کننده موادغذایی مانند Nestle,Kraft,Heinz و Unilever برنامه‌های تحقیقاتی مشخصی در این زمینه دارند تا بتوانند سهم بازار خود را در دهه‌های آینده حفظ کنند. این بدان معنا نیست که مواد غذایی به‌طور اتمی تغییر پیدا کنند و یا با نانوماشین‌ها تولید شوند، زیرا آرزوی تولید غذاهای مولکولی با کمک نانو ماشین‌ها فعلاً عملی نیست.
با علم به قابلیت‌های فناوری‌نانو امید است، بتوان سیستم‌های فعلی فراوری مواد غذایی را تغییر داده، محصولاتی مطابق با فرهنگ تغذیه سالم به بازار عرضه کرد. محققان همچنین امیدوارند بتوانند با استفاده از مواد افزودنی، کیفیت مواد غذایی و هضم و جذب غذا را در بدن افزایش دهند. اگر چه بعضی از این اهداف دور از انتظار به نظر می‌رسد، اما امروزه صنایع بسته بندی از فناوری‌نانو در محصولات خود کمک می‌گیرند.

۱. بسته‌بندی و سلامت مواد غذایی

پیشرفت در بسته بندی هوشمند برای افزایش عمر مفید محصولات غذایی، هدف بسیاری از شرکت‌هاست. این سیستم‌های بسته‌بندی قادر خواهند بود پارگی‌ها و سوراخ‌های کوچک را با توجه به شرایط محیطی (مانند تغییرات دما و رطوبت) ترمیم و مصرف کننده را از فساد ماده غذایی آگاه سازند. فناوری‌نانو می‌تواند در مواردی مانند افزایش مقاومت به نفوذ در پوشش‌ها، افزایش ویژگی‌های دیواره (مکانیکی، حرارتی، شیمیایی ومیکروبی)، افزایش مقاومت در برابر گرما، گسترش ضد میکروب‌های فعال و سطوح ضد قارچ کارساز باشد.
چشم اندازهای مالی فناوری‌نانو، صنایع بسته‌بندی را پررونق نشان می‌دهد. سهم بازار این صنعت در حال حاضر حدود ۱.۱ میلیارد دلار است و پیش‌بینی‌ می‌شود تا سال ۲۰۱۰ به ۷.۳ میلیارد دلار آمریکا برسد. با این وجود، صنعت بسته‌بندی هوشمند از آنچه پیش‌بینی شده بود جلوتر رفته و نشانه‌های تکامل آن به خوبی پیداست. تحقیقات سازمان مالی Frost and Sullivan نشان داد که علاقه مشتریان به مواد غذایی سالم و تازه در بسته‌بندی‌های مناسب، موجب پیشرفت این صنعت شده است. سازمان های زیادی وجود دارند که در زمینه سیستم‌های بسته‌بندی هوشمند فعالیت می‌کنند، ازجمله شرکت تولیدکننده مواد غذایی Kraft که با همکاری دانشگاه راتگرز در حال فعالیت روی پروژه زبان الکترونیکی ( electronic tongue ) است تا آن را به بسته‌بندی‌ها اضافه کند. این نوع بسته‌بندی شامل رشته‌ای از نانوحسگرهاست که نسبت به گازهایی که از مواد غذایی آزاد و موجب فساد آنها می‌شوند، به شدت حساس بوده و تغییر رنگ می‌دهند که این تغییر رنگ، علامت واضحی از سلامت یا فساد ماده غذایی است.
شرکت Bayer Polymer کیسه‌ای پلاستیکی با نام Durethan KU ۲-۲۶۰۱ تولید کرده است که از محصولات موجود در بازار سبک تر و محکم تر است، همچنین مقاومت بیشتری در برابر گرما از خود نشان می‌دهد. هدف اولیه از تولید پلاستیک‌های بسته‌بندی مواد غذایی، جلوگیری از خشک شدن محتویات آنها و محافظت در مقابل رطوبت و اکسیژن است. پوشش جدید غنی از نانوذرات سیلیکات است. این نانوذرات تا حد زیادی از نفوذ اکسیژن، گازهای دیگر و رطوبت جلوگیری می‌کنند و فساد مواد غذایی را به تعویق ‌می اندازند.
سازمان‌های دیگر به کمک فناوری‌نانو در حال یافتن راهی برای تشخیص فساد مواد غذایی هستند. به عنوان مثال شرکت AgroMicron ، افشانه تشخیص دهنده نانوبیولومینسانس را ساخته که شامل پروتئین لومینسانت است. در این طرح، افشانه سطح میکروب‌هایی مانند Salmonella و E.coli را ‌پوشانده، و از خود نوری ساطع می‌کند و به این روش فساد مواد غذایی تشخیص داده می‌شود. این شرکت امیدوار است بتواند محصول مورد نظر را با نام BioMark وارد بازار کند. در حال حاضر این شرکت در حال ساخت افشانه‌‌هایی با روش‌‌های جدید است تا بتواند از آنها در حمل و نقل دریایی استفاده کند.
در راهبرد مشابه، برای اطمینان از سلامت مواد غذایی، محققان اتحادیه اروپا در پروژه Good Food از نانوحسگرهای قابل حمل برای یافتن مواد شیمیایی مضر، پاتوژن‌ها و سم‌‌ها در مواد غذایی استفاده می‌کنند.
با این کار، دیگر نیازی به فرستادن نمونه‌های مواد غذایی به آزمایشگاه برای تشخیص سلامت و کیفیت محصولات در کشتزارها و کشتارگاه‌ها نیست. همچنین این پروژه، در حال توسعه به کارگیری زیست تراشه‌های DNA برای کشف پاتوژن‌هاست. این روش می‌تواند در تشخیص باکتری‌های مضر و متفاوت موجود در گوشت یا ماهی و یا قارچ‌های میوه مؤثر باشد. این پروژه در نظر دارد با گسترش میکروحسگرهای رشته‌ا‌ی، بتواند آفت‌کش‌های میوه و سبزیجات را به همان خوبی که شرایط محیطی کشتزارها را کنترل می‌کند تشخیص دهد. این نوآوری به نام حسگرهای Good Food نامیده می‌شود.
پروژه سرمایه‌گذاری شده اتحادیه اروپا به نام BioFinger که هدف آن، ساخت ابزارهای ارزان با توان تشخیص آسان در سلامت محیط زیست است، فعالیت دیگری در زمینه آنالیز مواد غذایی دارد. در ابزارهایی که از حامل ( cantilever ) استفاده می‌کنند، روش بدین صورت است که تیرک ( Tip ) با ماده شیمیایی پوشانده شده و در برخورد با مولکول‌های خاصی، سیگنال ایجاد می‌کنند. BioFinger با استفاده از این حامل‌ها که به یک میکروتراشه متصل است کوچک‌تر و قابل حمل می‌شود.
ارتش آمریکا در حال ساخت حسگرهای فوق‌العاده‌ای‌ است که از آنها در مقابل حمله‌کننده‌ها به مواد غذایی استفاده می‌شود. در سیستم های کنونی چندین روز طول می‌کشد تا وجود پاتوژن‌ها در مواد غذایی تشخیص داده شود. تشخیص سریع پاتوژن‌ها به وسیله این حسگرها به زودی باعث فراگیر شدن این فناوری در صنعت مواد غذایی خواهد شد.
محققان دانشگاه بُن در حال ساخت پوشش‌های دفع کننده آلودگی برای بسته‌بندی‌ها با استفاده از اثر لوتوس (نیلوفر آبی) (قطره آب از سطح برگ‌های نیلوفر آبی می‌لغزد و در نتیجه هرم‌های موم مانند نانومقیاس، سطح برگ را می‌پوشاند) هستند. کشتارگاه‌ها و محل‌های فرآوری گوشت نیز می‌توانند از این فناوری استفاده کنند. گروه تحقیقاتی دانشگاه انگلیسی لیدز دریافتند که نانوذرات اکسید منیزیم و اکسید روی باعث از بین بردن میکروارگانیزم‌ها می‌شوند. استفاده از این مواد بسیار ارزان‌تر از نانوذرات نقره است و می‌توانند کاربرد زیادی در بسته‌بندی مواد غذایی داشته باشند. فناوری شناخت فرکانس‌های رادیویی ( RFID ) در بیش از ۵۰ سال پیش توسعه یافت، ولی امروزه این فناوری راه خود را برای کنترل مواد غذایی در مغازه‌ها پیدا کرده است.
در این فناوری با استفاده از میکروپردازشگر‌ها می‌توان داده‌ها را به گیرنده‌های بی‌سیم ارسال کرد. امروزه می‌توان از این روش برای کنترل اقلام غذایی از انبار تا دست مصرف‌کننده بهره گرفت. برخلاف بارکدها که نیاز به اسکن دستی و خواندن یک به یک دارند، برچسب‌های RFID نیازی به خوانده شدن خطی نداشته و امکان خواندن تعداد زیادی از آنها در یک ثانیه وجود دارد. فروشگاه‌های زنجیره‌ای مانند Wal Mart ، Home Depot گروه Metro و Tsco در حال آزمایش این فناوری هستند. ضعف اصلی این روش، افزایش هزینه تولید است که نتیجه ساخت سیلیکونی آن می‌باشد. با ترکیب فناوری‌نانو و الکترونیک (نانوترونیک) این برچسب‌ها ارزان‌تر و کاراتر شده، همچنین پیاده‌سازی آنها آسان‌تر می‌شود.
گروهی از دانشمندان شمال اروپا، کنسرسیوم نانوغذایی را با هدف توسعه کاربردهای فناوری‌نانو دراین صنعت و با تأکید بر مواد غذایی سالم و مطمئن تشکیل داده‌اند. این مجمع، متشکل از شرکت‌های Arla Foods, Danisco A/S, Ar hus United A/S, Danish Crown amba و مرکز میان رشته‌ای نانوعلوم است.
با تأکید بر فراهم آوردن مواد غذایی سالم برای مشتریان، اولویت‌های این کنسرسیوم عبارت از توسعه حسگرهایی که قادر به تشخیص سریع سم در ترکیبات و یا باکتری‌های مضر در نمونه‌های غذایی باشند، گسترش سطوح ضد باکتری برای ماشین‌هایی که در تولید مواد غذایی به‌کار می‌روند، گسترش ساخت پوشش‌های محکم‌تر و ارزان‌تر، تولید مواد غذایی با ترکیبات خوراکی سالم‌تر می‌باشد.
تحقیقات مرکز دانمارک در بخش پژوهش‌های پیشرفته غذایی ( LMC ) که از همبستگی مؤسسات دانمارکی فعال در زمینه علوم غذایی تشکیل شده‌اند، برنامه‌های خود را در چارچوب هفتمین برنامه خود به صورت زیر اعلام می‌دارد:
درک پایه‌ای از مواد غذایی و تغذیه حیوانات برای نوآوری هوشمند؛
سیستم‌های زیست‌شناسی در تحقیقات غذایی؛
بازنگری زیستی در بخش محصولات غذایی؛
پیشرفت‌های فناوری؛
علم مواد خوراکی؛
نوآوری‌هایی بر اساس نیاز مشتری و ارتباطات غذایی.
آنها معتقدند تمرکز روی این برنامه‌ها می‌تواند موجب دستیابی کامل و چند جانبه در تحقیقات و توسعه مواد غذایی در اروپا شود. همچنین امیدوارند از نانوموادی با ویژگی‌های کاربردی به منظور استفاده در نانوحسگرها و فناوری ‌نانوسیالات در صنایع غذایی استفاده کنند. پیشرفت در مواد بسته‌بندی هوشمند، امکان کنترل شرایط محصولات در طول حمل و نقل و استفاده از روش‌های بسته‌بندی مبتنی بر زیست‌شناسی را برای ما مهیا می‌سازد.

۲. فراوری مواد غذایی

فناوری‌نانو علاوه بر بسته‌بندی، تأثیر زیادی روی گسترش مواد غذایی کاربردی و تعاملی دارد؛ موادی که به نیازهای بدن پاسخ داده، می‌توانند در رسانش مواد غذایی مؤثر باشند. گروه‌های تحقیقاتی مختلفی در حال کار روی ساخت مواد غذایی جدید بر اساس تقاضا هستند. این مواد به صورت غیر فعال در بدن باقی می‌مانند و مواد غذایی را در صورت نیاز به سلول‌ها می‌رسانند. عنصر کلیدی این بخش، توسعه نانوکپسول‌هایی است که با استفاده از آنها در مواد غذایی می‌توان کار رسانش را به خوبی انجام داد. از پیشرفت‌های دیگر در فرآوری مواد غذایی، افزودن نانوذرات به مواد خوراکی برای افزایش جذب آنها در بدن است.
یکی از بهترین نانوایی‌ها در غرب استرالیا در استفاده از نانوکپسول‌هایی که شامل روغن ماهی تن (منبع غنی از اسیدهای چرب امگا ۳) بوده‌اند؛ موفق بوده است. این مرکز از نانوکپسول‌ها در پرفروش‌ترین نوع نان خود به نام tip-top استفاده می‌کند و این ذرات فقط هنگامی باز و شکسته می‌شوند که وارد معده شوند، به این ترتیب از مزه ناخوشایند روغن ماهی جلوگیری می‌شود.
شرکت Nutralease در رژیم اشغالگر قدس، از فناوری ساختارهای مایع خودآرای نانومقیاس ( NSSL ) برای رسانش مواد غذایی استفاده می‌کند. این ذرات به شکل مایسل (کره‌های توخالی که از چربی ساخته شده و درون آن آب است) با قطر حدود ۳۰ نانومتر هستند. مواد خوراکی یا nutraceuticals دارای آب درونی هستند و می‌توانند برای حمل موادی مانند لیکوپن، بتا-کاروتن، لوتین، فیتوسترول ها، CoQ ۱۰ و DHA/EPA مورد استفاده قرار بگیرند. این ذرات به ترکیبات اجازه می‌دهند که به راحتی از طریق معده وارد رگ‌های خونی شوند. بنابراین دسترسی زیستی آنها افزایش می‌یابد. این فناوری را در حال حاضر کارخانجات Shemen برای رسانش روغن فعال Canola وارد بازار کرده‌اند. این شرکت ادعا می‌کند می‌تواند جذب کلسترول را در کیسه صفرا تا ۱۴ درصد کاهش ‌دهد.
تعدادی از شرکت‌های شیمیایی در حال تحقیق روی افزودنی‌هایی هستند که بدن به راحتی قادر به جذب آنهاست و می‌توانند عمر مفید محصولات را افزایش دهند. سازمان بین‌المللی علوم رسانش زیستی در حال توسعه نانوحلزون‌هایی با ذرات پیچشی ۵۰ نانومتری است که می‌تواند در رسانش موادی مانند ویتامین‌ها، لیکوپن و اسیدهای چرب امگا۳ به سلول‌ها به کار گرفته شود، بدون اینکه در مزه و رنگ مواد غذایی تأثیر داشته باشد.
صنایع غذایی Kraft ، گروهی محقق از ۱۵ دانشگاه مختلف را تشکیل داده است تا با کمک فناوری‌نانو در مورد غذاها تحقیق کند. این مورد به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهد تا بین رنگ‌ها و طعم‌های مختلف انتخاب کنند. این مجمع همچنین روی توسعه مواد غذایی هوشمند با کمک نانوحسگرها، که باعث آزاد سازی تدریجی موادغذایی می‌شود فعالیت می‌کند. این نانوکپسول‌ها با مواد غذایی ترکیب می‌شوند ولی تا زمان مناسب، غیر فعال باقی می‌مانند. تمامی پیشرفت‌های جدید موجب می‌شود مفهوم موادغذایی کامل به واقعیت نزدیک شود و انتظار می‌رود تا فواید دیگری در زمینه انرژی، عملکردهای تشخیصی، کاربردهای ایمنی بهتر و توسعه محصولات ضد پیری برای مصرف‌کنندگان وجود داشته باشد.
امروزه از فناوری‌نانو در صنایع آرایشی مانند ساخت کرم‌های شفاف استفاده می‌شود. شرکت Royal BodyCare ، که از فناوری‌نانو علوم غذایی استفاده می‌کند محصول جدیدی با نام NanoCeuticals را وارد بازار کرده، که امولسیونی از ذرات با قطر کمتر از ۵ نانومتر است. این شرکت ادعا می‌کند این محصول، رادیکال‌های آزاد را جمع آوری کرده، آب رسانی را بالا برده و pH بدن را تنظیم می‌کند. این شرکت همچنین در حال توسعه نانوخوشه‌‌ها و پودرهای نانومقیاسی است که با مکمل‌های غذایی ترکیب می‌شوند و هنگام مصرف، قدرت جذب مواد غذایی را در بدن افزایش می‌دهند.
شرکت‌های مواد غذایی و آرایشی در همکاری با یکدیگر به دنبال سازوکاری جدید برای رسانش ویتامین‌ها و جذب مستقیم آنها از پوست هستند. به عنوان مثال شرکت Nestle که ۴۹ درصد از سهام شرکت LOreal را داراست در حال ساخت کرم ضدآفتاب شفافی است که ویتامین E را مستقیم به پوست می‌رساند. هدف، ساخت کرمی است که به وسیله پوست جذب شده و ویتامین E را به آرامی آزاد کند، به‌علاوه دارای ماده محافظ UV نیز باشد. در حال حاضرکرم‌های شفاف ضد UV در بازار موجود است و LOreal انتظار دارد این کرم با کاربردهای بیشتری بازار را در برگیرد.
رقیبان دیگر مانند Estee Lauder در حال ساخت فرمول‌های ضد پیری هستند که از نانوذرات تشکیل شده‌است. شرکت آمریکایی Oilfresh محصول نانوسرامیکی جدیدی وارد بازار کرده که مصرف روغن را در رستوران‌ها و غذاهای آماده به نصف کاهش می‌دهد. در نتیجه این تغییر بزرگ، از اکسید شدن محصولات به دلیل چربی‌های درون روغن جلوگیری می‌شود. مورد دیگر این است که روغن سریع‌تر داغ شده و انرژی مورد نیاز برای پخت کاهش می‌یابد.
اخیراً دانشگاه واخنینگن در هلند مرکز تحقیقاتی را تأسیس کرده که در حال کار روی کاربرد فناوری‌نانو در صنایع غذایی است. مرکز بیوفناوری واخنینگن روی موضوعات مختلفی ازجمله تشخیص کیفیت و سلامت غذا، پوشش‌دار کردن و رسانش مواد غذایی، میکرو و نانو ابزارهایی برای پردازش‌های شیمیایی و فیزیکی، زیست شناسی شیمیایی، نانو سم شناسی؛ بررسی فناوری و علم مشتری متمرکز شده است.
شرکت آلمانی Aquanova در حال توسعه فناوری جدیدی است که در آن دو ماده فعال را با هم ترکیب کرده و در کاهش چربی از طریق نانوحامل‌ها (کره‌های تو خالی با قطر ۳۰ نانومتر) استفاده می‌کند. این نوآوری می‌تواند دستیابی جدیدی در کنترل وزن باشد. شرکت NovaSOL Sustain از CoQ ۱۰ برای کاهش چربی اسیدهای alpha-lipoic برای رفع گرسنگی استفاده می‌کند. همچنین این فناوری برای تولید ویتامین‌هایی مانند SoluE که از دسته ویتامین‌های E است و همچنین SoluC که از دسته ویتامین‌های C است استفاده می‌شود.
در یک راهبرد متفاوت، شرکت Unilever در حال تولید بستنی‌های کم چرب با کاهش ذرات امولسیون است. با این عمل امید است که استفاده از این ذرات، میزان چربی را تا ۱۶ درصد کاهش دهد. مرکز بین‌المللی Woodrow Wilson ، مؤسسه بورس تحصیلی در آمریکا، پایگاه داده‌ای از مشتریان بازار فناوری‌نانو تشکیل داده و به‌زودی ۱۵ مورد را که ارتباط مستقیم با صنایع غذایی دارند اعلام می‌کند. این فهرست شامل nanocetical های تولیدی شرکت RBC ، Life Science و روغن فعال Canola ی صنایع Shemen و نانوذرات نقره استفاده شده در یخچال‌های شرکت LG می باشد.

۳. جمع بندی

امروزه بسیاری از کشورهای جهان به توانایی فناوری‌نانو در صنایع غذایی پی برده‌اند‌‌و در حال سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی در این راه هستند. مؤسسه استاندارد مواد‌غذایی انگلستان ( FSA ) تحقیقاتی برای دستیابی به توانایی استفاده از فناوری‌نانو در غذا و مشخصاً بسته‌بندی موادغذایی ترتیب داده‌است. همزمان دولت این کشور نیز بودجه بیشتری برای تحقیق و توسعه در زمینه غذاهای کاربردی، سیستم‌های رسانش موادغذایی و شیوه‌های بهینه‌سازی ظاهر غذا مانند رنگ، مزه و غلظت در نظرگرفته است.
با افزایش تأثیرات فناوری‌نانو بر صنایع‌غذایی و ورود این محصولات به بازار مصرف، اهمیت سلامت این دسته از مواد‌غذایی بیشتر مطرح می‌شود. این نیاز، پذیرش فناوری‌نانو را در کاربردهای حسی، قوی‌تر خواهد کرد، و از همین راه می‌توان به سلامت مواد‌غذایی پی برد. مانند نوعی فناوری که نزدیک بودن تاریخ انقضای مواد‌غذایی را به خریداران و فروشندگان هشدار می‌دهد. پوشش‌های ضد‌میکروبی جدید و کیف‌های پلاستیکی دفع‌کننده آلودگی، پیشرفت‌ چشمگیری در اطمینان از سلامت و امنیت غذاهای بسته‌بندی داشته‌اند. اگرچه توجه زیادی به کاربرد فناوری‌نانو در صنایع‌غذایی و محصولات موجود در بازار شده‌است، اما هنوز هم توانایی‌های استخراج نشده بسیاری مانند آنچه قبلاً در بحث دستکاری ژنتیکی عنوان شد وجود دارد.
مؤسسه علوم و فناوری غذایی انگلستان، در گزارشی نشان داده است که داده‌های مطمئن بیشتری مورد نیاز است تا بتوان نانوذرات را به مواد غذایی اضافه کرد. این گزارش اشاره می‌کند که قوانین جاری، شرکت‌ها را برای برچسب‌زدن روی اقلامی که شامل نانوذرات است مجبور نمی‌کند، بنابراین بعید است مشتریان بتوانند از وجود این مواد در اقلام غذایی مطلع شوند. گفته می‌شود برای ارزیابی سلامت این دسته از مواد غذایی باید به تأثیرات اندازه ذرات در کنار نوع ترکیبات توجه شود.
گروه ETC همچنین برخی شرکت‌های مهم و دانشگاه‌های فعال را به تلاش برای به انحصار درآوردن غذاهای جدید (از طریق ثبت اختراع) متهم کرده است؛ زیرا این کار می‌تواند برای بسیاری از شرکت‌های مبتکر در کشورهای در حال توسعه، مانع ایجاد کند.
سرانجام روزی خواهد رسید که موادغذایی را از ترکیبات اتمی و مولکولی بسازیم که در اصطلاح به آن تولید مواد غذایی مولکولی گفته می‌شود. امروزه برخی گروه‌های تحقیقاتی در حال بررسی این زمینه هستند، ولی هنوز با روش بالا به پایین، استفاده از سلول‌ها بیش از مولکول‌هاست. اگر‌چه استفاده کاربردی از این فناوری در آینده دور امکان‌پذیر است، اما انتظار می‌رود این پیشرفت بتواند راه را برای گسترش پردازش محصولات غذایی مؤثرتر و ماندگارتر باز کند که در این صورت مواد خام کمتری مصرف شده و غذاهایی با کیفیت بالاتر به دست می‌آید.
منبع : روزنامه جوان

کاربرد نانو تکنولوژی در کامپیوتر و الکترونیک

کاربرد نانو تکنولوژی در کامپیوتر و الکترونیک

هدف از نگارش این نوشتار، مرور یکی از روش های بکارگیری فناوری نانو است. برای مثال این فناوری نسبتاً نو، در کامپیوتر و قطعات الکترونیکی کاربرد بسیاری دارد. از مثالی که ریچارد فایمن در سخنرانی خود استفاده کرد، شروع می کنیم. در واقع با این مثال میخواهیم ابعاد و اندازه های نانویی را با اندازه های خیلی کوچکی که تکنولوژی آنها هم اکنون در دسترس است، مقایسه بکنیم. او که جایزۀ نوبل فیزیک را دریافت کرده بود، در کنفرانس سال 1960 تحت عنوان «فضای زیادی وجود دارد» به بحث در مورد توانایی ها و امکان ساخت مواد نانو مقیاس پرداخت.
او به گونه ای خیال پردازانه، خطوطی حکاکی شده با به کارگیری باریکۀ الکترونی و با عرضی به اندازۀ چند اتم را فرض کرد که در واقع وجود لیتوگرافی توسط باریکۀ الکترونی را پیش بینی می کرد. در واقع فاینمن با این سوال شروع کرد: "چرا نمی توانیم بیست و نه پوشینۀ دایره المعارف بریتانیکا را به سر یک سوزن بنویسیم؟" و ادامه داد "قطر ته سوزن 1/16 اینچ است. اگر آن را بیست و پنج هزار بار بزرگ کنیم سطح آن با کل سطح صفحات دایره المعارف برابر می شود. پس کافی است همه نوشته ها را بیست و پنج هزار بار کوچک کنیم." اگر چه اندیشه های فاینمن بازتاب چندانی توسط دانشمندان آن زمان نداشت؛ هم اکنون بسیاری از فرضیات او به واقعیت پیوسته اند.
ریچارد فاینمن به پاس کمک های شایانش به الکترودینامیک کوانتومی (موضوعی بسیار دور از فناوری نانو) جایزۀ نوبل فیزیک را دریافت کرده بود. همگام با او، رویا پردازان دیگری نیز مشغول به فعالیت بودند. راف لندور فیزیکدانی نظری بود که در سال 1957 برای IBM کار می کرد. وی ایده هایی در پیرامون نانو الکترونیک داشت و به ارزش اثرات مکانیک کوانتومی در این زمینه پی برده بود.

1. الکترونیک و فناوری اطلاعات

انقلاب اطلاعات، جهان پیرامون ما را به شیوۀ گسترده ای تحت تاثیر قرار داده است و هوده های آن از اثرات انقلاب صنعتی نیز پیشی گرفته است. کلید توسعه و پیشرفت در فناوری اطلاعات، دستیابی به رایانه هایی با توان بیشتر، حجم کوچک تر و قیمت ارزان تر است. در ادامه به کاربردهای بیشتری از این فناوری در الکترونیک و کامپیوتر می پردازیم.

1.1 ذخیره سازی و حافظه ها

با استفاده از این فناوری می توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد هزار برابر یا بیشتر افزایش داد. ذخیره سازی اطلاعات مبحثی بسیار مهم و ضروری است که می تواند به روش های مختلفی انجام شود. هم اکنون ظرفیت دیسک های مغناطیسی رایانه ها با استفاده از قانون مور افزایش یافته است و بازاری در حدود چهل میلیارد دلار را در اختیار دارد.

2.1 ساخت ماشین های شبیه سازنده

نانو کامپیوتر و نانو اسمبلر، دو مفهوم جدیدی هستند که در "علم نانو" مطرح می شوند. ساخت نانو اسمبلر در واقع یک هدف نهایی و مهم در نانو تکنولوژی است. نانو اسمبلر در واقع امکان تهیۀ ماشین یا مکانیک ساختاری شبیه خودش را به وجود می آورد. زمانی که یک نانو اسمبلر کامل در دسترس باشد تقریباً همه چیز ممکن می شود و این مهمترین و بزرگترین خواسته دانشمندان نانو تکنولوژی است. کدام ساده تر است؛ تهیه کپی از ماشین، یا تهیۀ ماشینی که خودش را کپی کند؟ در مقیاس ماکرو مولکولی ساختن یک کپی خیلی ساده تر از ساختن ماشینی است که بتواند خودش را کپی کند اما در تراز مولکولی این مساله واژگونه است؛ یعنی ساختن ماشینی که بتواند خود را کپی کند کار را برای ما بارها ساده تر از ساختن ماشین دیگر می کند و این مهم ترین کاربرد نانو اسمبلر می باشد. به این ترتیب ساختن اتوماتیک محصولات بدون نیروی کار سنتی، همانند عمل کپی در ماشین های زیراکس، آسان می شود.

3.1 نیمه هادی ها؛ اساس صنعت الکترونیک کنونی

مطابق قانون مور، نعداد ترانزیستور ها در یک مدار الکترونیکی، در هر 12 تا 24 ماه دو برابر می شود. به این معنی که مدارها با گذر زمان فشرده و پیچیده تر خواهند شد. اگر چه این قانون در دهه های گذشته راست بود، اما فناوری لیتوگرافی با محدودیت برای کوچک تر کردن عناصر است؛ به طوری که پیش بینی می شود صنعت نیمه هادی در 10 سال آینده به مرز کوچک سازی برسد. به این ترتیب نیاز است که فناوری جدیدی وارد عمل شود تا کوچک سازی مدارها را انجام دهد. از دهۀ 1920 دانشمندان دریافتند که ویژگی های مواد مانند استحکام و قابلیت هدایت الکتریکی با ساختار اتمی و مولکولی آنها تعیین می شود. بعد ها دانش فوق منجر به ساخت مواد نیمه هادی شد که پایۀ صنعت الکترونیک کنونی است. در صنعت کامپیوتر، قابلیت نانو ماشین ها برای کوچک کردن ترانزیستورها رو تراشه های سیلیکونی می تواند انقلابی در این زمینه بوجود آورد. به این ترتیب نیاز است که فناوری نو و تازه ای بکارگرفته شود تا کوچک سازی مدارها را انجام دهد.

4.1 ابر خازن های الکتروشیمیایی

ابر خازنها دارای ظرفیت بالایی می باشند و به صورت بالقوه قابل استفاده در قطعه های الکترونیکی هستند. این ابر خازن ها دارای دو الکترود هستند که به وسیلۀ یک مادۀ عایق که در قطعه های الکترو شیمیایی دارای رسانایی یونی می باشد، از هم جدا می شوند. ظرفیت یک ابر خازن شیمیایی نسبت واژگونه با بار روی الکترود، و شمارگر بار در الکترولیت دارد. از ابر خازن های نانو لوله، برای ذخیرۀ انرژی استفاده می شود. به طور کلی گفته می شود که توجه بیشتر در این مورد، با ذخیرۀ بار فرق می کند.

2. الکترونیک مولکولی

1.2. نانو تیوب های کربنی در نانو الکترونیک

نانو تیوب های کربنی دارای کاربردهای بسیار در زمینۀ نانو الکترونیک و همچنین نانو کامپیوترها دارند. از کاربردهای بی شمار نانو لوله ها می توان به کارگیری به عنوان عایق، رسانا و نیمه رسانا و یا نیمه هادی استفاده کرد.

1.1.2. خواص رسانایی الکتریکی در نانو تیوب ها

نانو لوله ها بسته به بردار کایرالشان رسانندگی متفاوتی از خود نشان می دهند. البته رسانایی آنها به قطر نانو لوله ها نیز بستگی دارد؛ به این صورت که نانو لوله هایی با قطر کوچک، رسانا یا نیمه رسانا هستند. نانو لوله های تک دیواره با بردارهای کایرال متفاوت، ویژگی های متفاوت با یکدیگر دارند. از جمله فعالیت اُپتیکی، استحکام مکانیکی و هدایت الکتریکی آن ها با هم فرق دارد. از انواع نانو لوله ها از نگر رسانایی، نانو تیوب های زیگزاگ، آرمیچر و نا متقارن هستند. همه ی ساختارهای ممکن نانو لوله تک دیواره با بردارهای کایرال با انتقال یافتن دو محدوده ای که در شکل نشان داده شده است می تواند شکل گیرد، که n و m صحیح اند و در نانو لوله های زیگزاگ، θ<30 یا m≤n می باشد. جهت محور نانو لوله عمود بر بردار کایرال است. Ch در نانو لوله های کربنی از na1+ma2 به دست می آید که a1 و a2 بردارهای شبکه و کوچکترین قطرهای شش ضلعی نانو لوله ها هستند و m و n اعدادی صحیح اند. بردار کایرال با بردار Ch = na1+ma2 و زاویۀ کایرال با محور زیگزاگ تعریف می شود.

2.1.2. انواع نانو لوله ها از نگر رسانایی

اگر زاویۀ 0= θ یا n,0 ، نانو لوله از نوع زیگزاگ خواهد بود. در صورتی که ( n-m)/3 شماری صحیح باشد نانو لوله از نوع فلزی است. در غیر این صورت از نوع نیمه هادی است.
در صورتی که 30= θ یا n≤m باشد، نانو لوله از نوع آرمیچر خواهد بود. نانو لوله های آرمیچر همه از نوع فلزی هستند.
در غیر از این دو حالت فوق، نانو لوله از نوع متقارن یا کایرال است که دارای خواص رسانایی بسیار کمی می باشد.
n ≠ m , n ≠ 0

2.2 الکترونیک مولکولی با نانو لوله ها

مثال هایی از کاربرد بالقوۀ نانو لوله ها به عنوان قطعه های گسیلندۀ میدانی را می توان نمایش دهنده های صفحات تخت، لوله های تخلیۀ گاز در شبکه های مخابراتی، تفنگ های الکترونی برای میکروسکوپ الکترونی، سوزن های میکروسکوپ اتمی روبشی و تقویت کننده های میکرو موج نام برد.

3.2سیستم های نانو الکترو مکانیکی ( NEMS )

سیستم های میکروالکترومکانیکی ( MEMS ) عمدتاً مانند ویفرهای سیلیکونی به روش فتولیتوگرافی ساخته می شوند. این سیستم ها در ابزارهایی مانند سنسورها، پمپ ها و روتورها استفاده می شوند. در حال حاضر، MEMS یک صنعت 11 میلیارد دلاری است. در این زمینه حرکت از مقیاس میکرو به سمت نانو، امکانات و قابلیت های جدیدی را برای سیستم های الکترومکانیکی ایجاد می کند. با وجود این، فقدان انگیزه های کافی اقتصادی برای کوچک کردن ماشین ها تا مقیاس نانو، باعث شده است که تکامل سیستم های نانو الکترومکانیکی از روند آرامی برخوردار باشد.
یکی از اهداف نانو فناوری پیشرفت در زمینۀ الکترونیک و علوم کامپیوتر، برای ساخت حافظه ها و تراشه ها با قابلیت بیشتر، و هزینۀ کمتر است. همان طور که در بالا توضیح داده شد، دستیابی به اهداف در این زمینه نقص های بسیاری در ماشین ها را برطرف خواهد کرد. به خصوص حافظه ها و اسمبلرها، که انقلاب عظیمی در صنعت الکترونیک، در حوزۀ فناوری نانو خواهد بود.
منابع : - سیم چی،ع. آشنایی با نانو ذرات، انتشارات موسسۀ انتشاراتی دانشگاه صنعتی شریف،1387، 23-76
- حبیبی، س. محمدی شادپور،م. نانو تکنولوژی و پیدایش کاربردهای جدید، انتشارات الماس دانش، 1387، 23-55.
- جهانشاهی،م. نانو فناوری زیستی و نانو فناوری مولکولی، انتشارات جهان نو، 1388، 10-12.
- انجمن علمی دانشجویی نانوتکنولوژی دانشکده فنی دانشگاه تهران، نانوتکنولوژی آئینه تکنولوژی آفرینش، کمیتة مطالعات سیاست نانوتکنولوژی، 1387، 11.
- Santos PS. Tecnologia de Argilas aplicada a Argilas Brasileiras. Sa˜o Paulo: Sa˜o PauloUniversity; 1975 .
- Ramsharan Singh and Prabir K. Dutta, MFI: A Case Study of Zeolite Synthesis,1990, 10-17
- G Papaccio, B Deluca, FA Pisanti. J Cell Biochem 71:479–490, 1998 .
- J Capiaumont, C Legrand, D Carbonell, B Dousset, F Belleville, P Nabet. J Biotechnol 39:49–58, 1995 .
Laboratoire de Mate´riaux a` Porosite´ Controˆle´e, UMR-7016 CNRS, ENSCMu, UniVersite´ de Haute Alsace,3, rue Alfred Werner, 68093 Mulhouse Cedex, France, Nanozeolites: Synthesis, Crystallization Mechanism, and Applications, Chem. Mater. 2005, 17, 2494-2513

محلول های مغناطیسی نانو

محلول های مغناطیسی نانو

محلول‌های مغناطیسی یکی از شاخه‌های فناوری نانو است که کمتر از دیگر شاخه‌های نانو به آن پرداخته شده‌است، ولی به تازگی کاربردهای جدیدی برای آن یافت شده است.محلول‌های مغناطیسی ( Ferro fluid ) از ذرات بسیار ریز کلوییدی ( درحدود۱۰۰ - ۱۰ نانومتر ( m۹- ۱۰) ) از جنس فلزاتی که خاصیت مغناطیسی دارند (مانند آهن و کبالت) به حالت سوسپانسیون در مایعی ، ساخته می شوند . پخش‌ کردن ذرات در مایع را می توان به کمک یک واکنش شیمیایی انجام ‌داد.
ذرات پخش شده در مایع به علت ریز بودن به صورت کلوئیدی هستند ولی پس از گذشت مدت زمان نسبتاً کوتاهی به هم پیوسته و ذرات بزرگتری را تشکیل می‌دهند ، که در ا ین صورت حالت کلوییدی آن از بین رفته ، ذرات در محلول ته ‌نشین شده و خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند .هر قدر که ذرات ریزتر باشند ، محلول خاصیت مغناطیسی بهتری از خود نشان می‌دهد. به این علت است که در هنگام تولید ، موادی با نام ” سورفاکتانت ” به محلول اضافه می‌شود که روی دیواره‌های آن را می پوشاند و مانع از به هم پیوستن و بزرگ شدن ذرات می‌شود و ذرات با گذشت زمان خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. سورفکتانت ها :کلمه سورفکتانت مخلوطی از “ Surface active agent “ می باشد . سورفکتانتها معمولا ترکیباتی آلی هستند که دارای گروههای آبدوست که نقش دم و دنباله را دارد و گروههای آبگریز که نقش سر را دارد می باشند.
بنابراین معمولا به طور ناچیز در آب و حلالهای آلی حل می شوند.وجود طبیعت دوگانه سبب ویژگیهای خاصی در این مولکول ها می شود به طوریکه می توانند در آب حل شده و در سطح مشترک آب – هوا یا بین دو سطح از دوفاز مختلف تجمع یافته و سبب کاهش کشش سطحی شوند. به طور نمونه در مورد بالاسورفکتانت ها ، از یکی از دو سرشان به کلویید متصل شده و از سر دیگر به محلول نزدیک اند، بنابراین سرهایی که در محلول قرار دارند همنام بوده و سبب دافعه بین کلوییدها می شود . در نتیجه از تجمع و به هم پیوستن آنها ممانعت نموده و محلول خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کند.
سورفکتانتها نقش مهمی در بسیاری از کاربرد ها عملی و محصولات بازی میکند مثلا : شونده ها - امولسیون کننده ها - جوهر سازی - کف سازی و ….سورفکتانتها معمولا بوسیله گروههای باردار تقسیم بندی می شوند . سورفکتانتهای غیریونی در قسمت سر خود بی بار هستند. اگر بار منفی باشد سورفکتانت آنیونی و اگر مثبت بود سورفکتانت کاتیونی داریم .. گاهی قسمت سر دارای هر دو بار منفی و مثبت است که به آن آمفوتریک گوئیم . یک Ferro fluid معمولی ، از %۵ جامد مغناطیسی ، %۱۰ سورفاکتانت و % ۸۵ مایع تشکیل شده است. در عصر حاضر نانو تکنولوژی خدمت بسیاری به بشر کرده‌است . در شیمی ، در فیزیک و . . . همچنین در زمینه‌های پزشکی که با ساخت وسایل گوناگون در زمینه‌ی درمان ، انسانها را یاری کرده‌ است . نظریا تی وجود دارد مبنی بر اینکه به کمک این محلول می ‌توان کپسولهایی ساخت و دا روهایی را که برای بخشی از بدن مضر و برای بخشی دیگر مفید است ، به راحتی به محل مورد نظر برسانیم .
با این روش که کپسولهایی از این جنس را پراز داروی مورد نظر کنیم و به وسیله‌ی آهنربا به محل مورد نظر برسانیم و در آنجا آنرا تخلیه کنیم .در چند ساله‌ی اخیر دانشمندان به این عقیده رسیده‌اند که به کمک وارد کردن ا ین محلول به بدن می‌توان سلولهای سرطانی و یا ویروسها ( مثلا ایدز) را از بدن خارج کرد، به صورتی که ا ین ماده آنتی بادی ( Anti body ) موجود در خون را ( به وسیله بار مثبت آنها ) جذب کرده و آنتی بادی ها هم ویروسها را جذب میکنند که با خارج کردن Ferro fluid به وسیله آهنربا میتوان ویروسها را خارج کرد. ولی متأسفانه هنوز به مرحله‌ی عملی نرسیده‌است.به غیر از استفاده‌های پزشکی ذکر شده در بالا استفاده‌های صنعتی هم برای این ماده ذکر شده‌است. مثلا در چیپهای مخصوص برای حرکت دا دن یک سیال مشکلاتی وجود دارد چون موتورهایی در آن اندازه‌ی ریز وجود ندارد و اگر هم وجود دارد بسیار پرهزینه است. اما با اضافه کردن مقداری از ا ین محلول به آن سیال می‌توان با نیروی مغناطیسی آن سیال را به حرکت در آورد. مورد دیگر استفاده از این ماده در بلند گو های پر قدرت است .این محلول خاصیت خود را در دماهای بالا ، مثلا در ° C ۲۰۰ یا در دماهای پایین ، مثلا در ° C ۵۰- و یا در برابر امواج هسته ای حفظ می کند .

استفاده از فناوری ‌نانو در صنعت غذایی

استفاده از فناوری ‌نانو در صنعت غذایی

از فناوری‌نانو در صنعت غذایی می‌توان به شکل‌های مختلفی استفاده کرد. این کاربردها می‌تواند شامل استفاده از فناوری‌نانو در مواد بسته‌بندی، کشاورزی، فرایندهای تولید غذا و خود غذا باشد. ابزارها یا روش‌‌های فناوری‌نانو که طی کشت، تولید، فرآوری یا بسته‌بندی غذا استفاده می‌شوند؛ را نانوغذا ( nanofood ) می‌نامند. این تعریف از نانوغذا را نانوفروم ( NanoForum ) ارائه داده است.

بسته‌بندی

امروزه استفاده از فناوری‌نانو در صنایع بسته‌بندی غذا امری عادی است. این بسته‌بندی‌ها را می‌توان به دو دسته مختلف تقسیم نمود: دسته اول بسته‌بندی‌های فعال که حاوی موادی با عملکردی خاص هستند (شبیه به بسته‌بندی‌هایی که از ورود اکسیژن و فساد غذا جلوگیری می‌کنند)؛ اما دسته دوم بسته‌بندی‌های هوشمند است که به تغییرات محیط واکنش نشان می‌دهند (مثل شناسایی پاتوژن‌ها). در حال حاضر برخی شرکت‌ها در ظروف بسته‌بندی مقوایی از نانومواد استفاده می‌کنند. این نانومواد شامل چسب‌هایی مبتنی بر نانوذرات نشاسته است که از منابع تجدیدپذیر تهیه و جایگزین چسب‌های مبتنی بر مواد نفتی می شوند. همچنین در ظروف بسته‌بندی‌ مقوایی، نانومواد جایگزین پلی‌وینیل استات ( PVA ) و پلی‌وینیل الکل‌ می‌شوند. از دیگر نمونه‌های کاربرد فناوری‌نانو در صنایع بسته‌بندی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
استفاده از بطری‌های پلاستیکی ساخته شده از مواد نانوکامپوزیت و استفاده از لایه‌های پلاستیکی ضد قارچ و ضدباکتری که دارای طول عمر بیشتری نیز هستند.

کاربرد در مراحل زراعت

استفاده از فناوری‌نانو در صنعت کشاورزی، آینده روشنی در شکل‌گیری فرآیندهای کشاورزی و افزایش دقت در این کار، ترسیم نموده است؛ به عنوان مثال نانوحسگرهای پراکنده شده در یک مزرعه می‌توانند همه موارد مربوط به آن را، از مواد مقوی و میزان آب گرفته تا وجود بیماری‌ها، قارچ‌ها و آفت‌های دیگر، اندازه‌گیری کنند. این حسگرها می‌توانند برای رساندن مقدار مشخص و دقیقی از یک آفت‌کش یا کود، با نانوذرات یا نانوکپسول‌ها برهم‌کنش داشته باشند. این کار می‌تواند منجر به کاهش هزینه و میزان پراکندگی این مواد شیمیایی در محیط‌های کشاورزی شود. علاوه بر این موارد، به کمک نانوتراشه‌ها در مزرعه‌ها، می‌توان حیوانات مضر را شناسایی و ردیابی کرد و از آنها تصویربرداری نمود. چنین تراشه‌هایی می‌توانند در رساندن میزان مشخصی از داروهای واکسیناسیون و مواد درمانی دیگر نیز مورد استفاده قرار گیرند.

زراعت برای فناوری‌نانو

از دیگر زمینه‌های جذاب که در فناوری‌نانو مطرح است می‌توان به استفاده از گیاهان در تولید مستقیم مواد اولیه در صنعت فناوری‌نانو اشاره نمود. به عنوان نمونه‌ای از این کاشت ذرات می‌توان به تولید نانوذرات طلا به وسیله گیاه یونجه اشاره نمود. در این فرایند، گیاه یونجه را در خاک غنی ‌شده از طلا رشد می دهند و بدین ترتیب طلا در بافت‌های گیاهی رسوب می‌کند و بعد از این مرحله می‌توان نانوذرات طلا را از طریق روش‌های مکانیکی از این گیاه جداسازی نمود.فرآوری غذاهااز نانوذرات و نانوکپسول‌ها برای منظورهای مختلف در مواد خوراکی استفاده می‌شود. از کاربردهای آنها می‌توان به افزایش ماندگاری غذا، تغییر خواص، افزایش ارزش غذایی و تغییر مزه اشاره نمود.
به عنوان مثال امروزه نانوکپسول‌های پر شده از روغن ماهی تونا (یک منبع اسیدهای چرب اُمگا 3) را به برخی از انواع نان اضافه می‌کنند. شکست کپسول‌ها در بدن، باعث رها شدن روغن مورد نظر می‌شود، این در حالی است که هیچ مزه ناخوشایندی از این روغن احساس نمی‌شود.

آینده نانوغذا

در حال حاضر منظور از اصطلاح نانوغذا، غذاهایی نیست که مستقیماً از روش‌های فناوری‌نانو به دست آمده‌اند. اما در آینده اتفاقات زیادی رخ خوهد داد. مثلاً ممکن است روزی نانوماشین‌هایی تولید شود که توانایی تولید مولکول‌ به مولکول غذاها را داشته باشند (اما این کار سال‌ها به طول خواهد انجامید). اما برخی از پیشرفت‌هایی که در آینده‌ای نه چندان دور در این زمینه قابل دستیابی هستند، عبارتند از: تولید بسته‌بندی‌هایی که توانایی بازتاب گرما از یک بستنی یخی را داشته و می‌توانند آن را از ذوب شدن در یک محیط گرم حفظ کنند؛ تولید بسته‌بندی‌هایی که می‌توانند خود را ترمیم کنند و بسته‌بندی‌هایی که می‌توانند در شرایط خاص، خواصشان را تغییر دهند، به عنوان مثال بسته‌بندی‌هایی که بتوانند فاسد شدن شیر را با تغییر رنگ نشان دهند. مانوئل مارکویز-سانچز، از دانشمندان کرافت فود ( kraft foods )، طرح‌هایی برای نوشیدنی مبتنی بر فناوری‌نانو ارائه کرده است و در آنها این ایده را مطرح می‌کند که همه افراد یک نوشیدنی را بخرند، اما هر کس پس از خریدن نوشیدنی بتواند رنگ، طعم و غلظت آن را تغییر دهد.

آسیب‌شناسی آموزش فناوری نانو در ایران

آسیب‌شناسی آموزش فناوری نانو در ایران

در یکی دو سال اخیر، آموزش فناوری‌نانو، راه خود را به دانشگاه‌های کشور باز کرده و دوره‌های تحصیلات تکمیلی این رشته، در چند دانشگاه شروع شده است. جدید بودن، جاذبه‌های ذاتی و تبلیغ جهانی این فناوری، موجب تحریک بسیاری از دانشجویان برای تحصیل در این رشته شده است و رقابت برای تحصیل در این رشته را به طور ناخودآگاه تشدید کرده است. در نتیجه این رقابت، دانشجویانی با سطح علمی مناسب وارد سیستم آموزش فناوری نانو می‌شوند.
دیگر عوامل کلیدی در این سیستم، استادان، دروس و طرح‌های پژوهشی هستند که نتیجه این عوامل باید تربیت نیروی انسانی با سواد، خلّاق، و کارآمد، به منظور تحقق اهداف سند راهبرد توسعه فناوری‌نانو در جمهوری اسلامی ایران (راهبرد آینده) - یعنی دسترسی به جایگاهی مناسب در بین پانزده کشور برتر این فناوری - باشد. اما انجام فرایند تربیت نیرو در این سیستم ممکن است با آسیب‌هایی رو به رو باشد، از جمله:
اول: به دلیل مشخص نبودن حد و مرز فناوری‌نانو و بالغ نشدن آموزش آن در جهان، ممکن است برخی دانشگاه‌ها همان علوم متعارف مقیاس ماکرو را با برچسب نانو به دانشجویان ارائه کنند. زیرا همان طور که شوق تحصیل در نانو، خیلی از دانشجویان را به این رشته می‌کشاند، اسم و رسم تدریس نانو نیز می‌تواند برخی از مدرسین ناآشنا به مبانی علمی این فناوری را تحریک به تدریس در این زمینه کند. در این صورت، سطح علمی دانش‌آموختگان فناوری‌نانو، پایین‌تر از حد انتظار خواهد بود.
دوم: آموزش نیروی انسانی باید همراه با تمهید سازوکار لازم برای به کارگیری دانش‌آموختگان در فعالیت‌های واقعی و موّلد باشد، تا امکان دسترسی به سهم مناسبی از بازار جهانی فناوری‌نانو (هدف سند راهبرد) فراهم شود. آسیبی که از این جنبه متوجه فناوری‌نانو در کشور ما است، تلاش دانشگاه‌ها برای پیشگامی صرف در دایر نمودن رشته فناوری‌نانو، بدون توجه به زنجیره‌های بعد از آموزش است. این معضل باعث خواهد شد تا در چند سال آینده با نیروهایی بدون بازار کار مواجه شویم. در این صورت، تنها سهم ایران از تولیدات جهانی فناوری‌نانو، تولید پرهزینه نیروی انسانی ارزان قیمت یا مُفت برای بازارهای خارجی خواهد بود!
سوم: تعریف پروژه‌های پژوهشی فناوری‌نانو، چه برای دانشجویان این رشته و چه دانشجویان علاقمند در سایر رشته‌ها نیاز به دقت و برنامه‌ریزی دارد. هم‌اکنون تعریف پروژه در دانشگاه‌های ما، کاملاً استادمحور و بی‌برنامه است و پروژه‌های تحقیقاتی صرفاً در راستای تخصص و علاقه استادان تعریف می‌شود. در صورت بروز چنین اتفاقی برای رشته فناوری‌نانو، پژوهش در این زمینه در جزایر کاملاً مجزا و بدون هیچ‌گونه ارتباط هدف‌داری دنبال خواهد شد. در این صورت انجام پروژه‌های ابتدایی، بی‌هدف و تکرای رو به فزونی رفته و این تصور را تقویت خواهد کرد که پژوهش در فناوری‌نانو یعنی دور ریختن سرمایه؛ دیدگاهی که بعضی‌ها نسبت به کل مقوله پژوهش پیدا کرده‌اند.
لذا در مجموع می‌توان این گونه نتیجه گرفت که به منظور اثر بخش شدن دوره‌های آموزش فناوری‌نانو در دانشگاه‌ها و جلوگیری از هدر رفتن زمان، هرز رفتن نیروهای انسانی و اتلاف سرمایه مادی، لازم است:
اولاً، انگیزه‌های شخصی در تدریس فناوری‌نانو وارد نشود و عرصه تدریس برای کسانی که صلاحیت علمی بیشتری دارند (با معیارهایی همچون سابقه تدریس، تحصیل، تحقیق، ارائه مقالات معتبر، ثبت اختراع در زمینه‌های مرتبط) بازتر شود.
ثانیاً، طراحی دوره‌های آموزشی با تفکر بلندمدت صورت گیرد و قبل از این که دانشجویی برای این رشته پذیرش شود، زمینه فعالیت او در آینده روشن شود و حلقه آموزش، در زنجیره تولید دیده شود.
ثالثاً، با بررسی فرصت‌ها و چالش‌های کشور، پروژه‌های به هم پیوسته و زنجیره‌ای طراحی شده و دانشگاه‌ها در قالب برنامه‌های پژوهشی، مأمور انجام این پروژه‌ها شوند؛ همانند برنامه تحقیق و توسعه اتحادیه اروپا که پروژه‌های زنجیره‌ای آن با هدف خاص و از پیش تعیین شده، حتی در قالب پروژه‌هایی در چند کشور مجزا انجام می‌شود.
نهایتاً از آنجا که ستاد ویژه توسعه فناوری‌نانو، متولی هدایت جریان کلّی فناوری‌نانو در کشور است، لازم است تعامل سازنده‌تری بین ستاد و وزارت علوم برقرار شود تا جریان تربیت نیرو به حرکتی کنترل شده و با اهداف مشخص و بلند مدت تبدیل شود. مسلماً همدلی و برنامه‌ریزی قوی در این زمینه باعث می‌شود تا پیشرفت‌های مقطعی و موردی کشور، به جریانی پایدار تبدیل شده و موج موفقیت این فناوری از خطر میرایی نجات یابد.
منبع : www.irannano.org