فرآیند هسته ای

فرآیند هسته ای

سال ها قبل در کتابی علمی - که حاوی مطالب سرگرم کننده نیز بود - با سوالی جالب برخورد کردم مبنی بر اینکه: اگر یک سیب داشته باشیم و آنرا از وسط به دو نیم کنیم و دوباره نیمه آنرا به دونیم کنیم و این عمل را تکرار کنیم، پس از چند بار تقسیم به اتم سیب می رسیم؟
بسیار اعجاب آور بود وقتی پاسخ را مشاهده کردم! باور نمی کنید؟
کافیست یک ماشین حساب برداشته محاسبه کنید. (پیشنهاد می کنم با سیب امتحان نکنید!) در نظر بگیرید قطر اتم ۱۰ به توان منفی ۸ سانتیمتر است.خوانده ام که اولین بار ذیمقراطیس یونانی (۴۵۰ ق.م.) وجود اتم را پیش بینی کرد. جالب اینجاست که وی حتی ویژگی های اتم را نیز (همانند غیر قابل تجزیه بودن و اینکه مواد مختلف از ترکیبات گوناگون اتمها بوجود می آیند و اینکه با تجدید آرایش اتمها می توان مواد جدیدی بوجود آورد) به درستی بیان کرد! پیش بینی هایی که واقعا انسان از شنیدن آنها متعجب می شود.
آنقدر که حتی افلاطون و ارسطو نیز آن را رد کردند. ولی در هرحال هیچ یک، حتی تصوری نیز از جهان درونی اتم و قدرتی که در آن نهفته است، نداشتند.تا آنکه سالها بعد افرادی مانند جیوردانو برونو (که خود در زمینه بیان نظریات انقلابی اعجوبه ای بود و در ۱۶۰۰م. با اراده کلیسا در آتش سوزانده شد) و پیر گاسندی با پیروی از این اعتقاد، زمینه را برای گسترش آن فراهم کردند.و اما با توجه به منابع عظیم انرژیهای فسیلی، چه نیازی به تجربه و آزمایش، برای استخراج انرژی هسته ای داریم؟
البته پاسخ این سوال امروزه واضح است: منابع فسیلی رو به پایان هستند. بخش قابل توجهی از منابع جنگلی در حال نابودی ست. در حال حاضر بخشهای عظیمی از جنگلهای شمال آفریقا و خاور نزدیک و اروپای غربی و آمریکای شمالی از بین رفته (تقریبا از جنگلهای دست نخورده مناطق شمالی - جز در کانادا و سیبری - چیزی باقی نمانده). البته زغال سنگ و نفت جای چوب را گرفتند.
اساسا انقلاب صنعتی استفاده از زغال سنگ را گسترش داد ولی دیری نپایید که رغبت مصرف به سوی نفت و گاز طبیعی میل کرد.ولی همه اینها یادگار دوران باستان هستند و با مصرف آنها، هیچ چیز جایگزین شان نخواهد شد. در حال حاضر جهان چندین میلیون بشکه در روز مصرف نفت دارد و با اینکه موجودی نفت جهان بیش از یک میلیون میلیون بشکه براورد شده، ولی در هر حال این ماده ارزشمند روزی به پایان خواهد رسید. روشهای دیگری نیز وجود دارد. همانند تبدیل مستقیم حرارت به الکتریسیته (باطری های گرمایی) یا مولدهای خورشیدی (که البته بسیار با ارزش هستند.
برآورد شده اگر فقط زمینهای وسیع دره مرگ - در کالیفرنیا - و صحرا - درآفریقا - از باطریهای خورشیدی پوشیده شود، برق مورد نیاز جهان تا ابد تامین می شود!) که احتمالا تا آینده نزدیک، استفاده از این انرژی مقرون به صرفه نیست و یا انرژی باد.و اما کارمایه ای که احتمالا تا صدها سال بعد نیز نیازهای بشریت را براحتی تامین خواهد کرد، کارمایه اتمی است. (هرچند که لغت انرژی اتمی اشتباه است و معمولا به انرژی حاصل از سوختهای فسیلی گفته می شود و لغت صحیح انرژی هسته ای می باشد).
در ابتدا - یعنی پس از کشف نوترون در سال ۱۹۳۲ - فیزیکدانان پی بردند که این ذره جدید به علت خنثی بودنش می تواند به راحتی به داخل هسته نفوذ کند. پس با اشتیاق فراوان شروع کردند به بمباران هسته های مختلف. ایشان دریافتند که اگر نوترون را ابتدا از داخل آب یا پارافین عبور دهند، سرعت حرکت آن کاسته می شود و از آنجا که با کاهش سرعت نوترون، طول موج آن افزایش می یابد، احتمال برخورد آن با هسته بیشتر می شود.
وقتی هسته ای یک نوترون را به خود جذب می کند، عدد جرمی آن یک واحد افزایش می یابد و ممکن است به علت انرژی اضافی که به هسته می دهد، آنرا برانگیزاند که در نتیجه هسته از خود اشعه گاما صادر می کند. هسته جدید ناپایدار است و از آنجا که این هسته از خود الکترون صادر می کند (به علت دریافت انرژی) یکی از نوترونهای آن تبدیل به پروتون می شود و مثلا آلومینیوم (با عدد اتمی ۱۳) به سیلیس (با عدد اتمی ۱۴) تبدیل می شود. به این ترتیب یک عنصر به عنصر بالاتر خود تبدیل می شود. در همان زمان انریکو فرمی (ایتالیایی) و همکارانش تصمیم گرفتند تا با بمباران اورانیوم عنصری مصنوعی (شماره ۹۳) را بوجود بیاورند.
آنها فراورده این بمباران را « اورانیوم ایکس » نامیدند و تصور کردند عنصر جدیدی بوجود آوردند. آنها با توجه به جدول تناوبی خواصی مشابه رنیوم برای این ماده فرض کردند و کوشش کردند تا با استفاده از خود باریوم، آنرا از اورانیوم جدا کنند، که ممکن نشد.
سپس در سال ۱۹۳۸ فیزیکدان آلمانی اوتو هان و فریتس اشتراسمن با انجام آزمایشاتی متوجه شدند که این عنصر وقتی با باریوم مخلوط می شود خاصیت رادیو اکتیو پیدا می کند. آنان تصور کردند که این خاصیت جدید باید نتیجه رادیوم باشد و تصمیم گرفتند تا این بار با استفاده از رادیوم، عنصر جدید را از اورانیوم جدا کنند، که این هم ممکن نشد.تا آنکه در همان ماهها فیزیکدان اتریشی لیزه مایتنر (که با هان کار می کرد) موضوع را با شهامتی خاص حل کرد. خانم مایتنر اعلام کرد که اورانیوم در خلال بمباران هسته ای به باریوم رادیو اکتیو تبدیل می شود.
وزن باریوم تقریبا نصف اورانیوم بود در حالیکه با بمباران هسته ای چنین اتفاقی نمی افتاد. مایتنر گفت که هسته اورانیوم به دو نیمه تقسیم شده. عقیده ای که مثل بمب صدا کرد و جایزه نوبل شیمی ۱۹۴۴ نصیب هان شد. و به این ترتیب راه برای دستیابی به عظیم ترین انرژی و شمشیر دو لبه طبیعت باز شد
منبع : http://tehrandata.com

فناوری ژنتیک و چالش اخلاقی

فناوری ژنتیک و چالش اخلاقی

فناوری ژنتیک، یک پرسش اخلاقی و جنجالی را درباره حق جامعه نسبت به نقش خدا، موجب شده است. نهادهای اجتماعی - مانند کارفرمایان، بیمه گران و مدارس - ممکن است از آزمایش ژنتیک در مقیاس وسیعی استفاده نمایند تا افراد مستعد را برای شرایط خاص انتخاب نمایند. پیشرفت تحقیقات ژنتیک که به نحو مهیجی در خلال پانزده سال گذشته، تسریع یافته است، اخیرا با پروژه ژنتیک انسان - که تلاش برای مستند کردن و تهیه نقشه منابع ژنتیک بشریت می‏باشد - برجسته شده است. توانایی بالقوه فناوری ژنتیک، برای تسکین جسمی، روحی و مالی اثرات امراض، آن را بی نهایت جذاب کرده است. به هر حال، ممکن است این فناوری، کنترل اجتماعی را بر وضعیت انسان افزایش دهد؛ بگونه ای که موجب مناقشه های شدید در حقوق بشر گردد.

فناوری ژنتیک

دانشمندان هم اکنون در حال تمرکز بر توسعه آزمایش‏های ژنتیک و ژندرمانی هستند. آزمایش‏های ژنتیک تلاش می‏کنند، تا تشخیص دهند و یا پیش‏گویی کنند که آیا یک بیمار بهبود خواهد یافت، یا این که ناقل یک صفت موروثی خواهد بود؟ ژندرمانی می‏کوشد تا با دادن نمونه های طبیعی از ژن های ناقص یا مفقود به بیماران مستعد، صفات ژنتیک را معالجه کند. ژندرمانی می‏تواند برای جلوگیری از بیماری‏ها، تاثیرگذاردن بر ویژگی‏های جسمی موروثی، نظیر رنگ مو، رنگ چشم، قامت، توانایی ورزشی، مورد استفاده قرار گیرد و همچنین جنبه های رفتاری مربوط به ژن از قبیل: شخصیت، استعداد، هوش و حتی تعیین جنسیت را اصلاح کند. بسیاری از متخصصان ژنتیک، متقاعد شده اند که دو گونه ژندرمانی، شامل ساختن سلول‏های بدن ( SCM ) و ساختن مدل جنین ( GLM ) در دهه های آینده، قابل دستیابی خواهد بود و با قادر ساختن بیماران بر خنثی کردن بیماری‏ها، پزشکی را دچار انقلاب خواهند ساخت.
متخصصان علم ژنتیک، بیشترین پیشرفت را در زمینه ساختن سلول بدن تحصیل کرده اند SCM در ارتباط با قرار دادن ژن های طبیعی در سلول‏های بافت های بدن، مانند قرار دادن سلول‏های «ریه » در بیماران دچار رشد «نسوج مثانه » می‏باشد. ژن جدید، سلول‏های بیمار را قادر می‏سازد تا به طور کامل فعالیت نماید. به هر حال SCM بیماری را کاملا نابود نمی‏کند، بلکه تاثیرات ژن طبیعی همراه با بیمار از بین خواهد رفت. ژن ناقص، گرچه در بدن بیمار بی حس می‏شود، اما به فرزندان بیمار سرایت می‏کند. در مقابل، ساختن مدل جنین ( GLM ) ، مولد تغییرات دائمی ژنتیک می‏شود GLM متکفل قرار دادن ژن های طبیعی در سلول‏های جنسی در یک بیمار، یا به صورت عملی‏تر، در سلول‏های رشد نیافته یک جنین نورس است که به صورت مصنوعی لقاح یافته است. تاثیرات تغییرات ژنتیک، چه سودمند و چه مضر، به نسل‏های آینده منتقل می‏شود که به صورت مداوم یک ذخیره ژن خانوادگی را اصلاح می‏کند.

نتایج اجتماعی فناوری ژنتیک

فناوری ژنتیک، یک پرسش اخلاقی و جنجالی را درباره حق جامعه نسبت به نقش خدا، موجب شده است.نهادهای اجتماعی - مانند کارفرمایان، بیمه گران و مدارس - ممکن است از آزمایش ژنتیک در مقیاس وسیعی استفاده نمایند تا افراد مستعد را برای شرایط خاص انتخاب نمایند. به کارگیری گسترده ژندرمانی، می‏تواند منجر به فرو نشاندن خصیصه های اجتماعی، مانند خصیصه های رفتاری یا فیزیکی نامطبوع و تجدید فعالیت اصلاح نژاد و استفاده از آن، به منظور ارتقای نژاد انسانی گردد. با ایجاد شرایطی که غیر قابل اجتناب به نظر می‏رسد، فناوری ژنتیک ممکن است در تاثیر عوامل موثر بر ارتقای شخصیت انسانی، مبالغه کند و به تشویق تعیین استانداردهای اجتماعی دقیق در خصوص تندرستی و تعادل انسان بینجامد. این دیدگاه ممکن است قضاوت های موجود پیرامون افراد ناتوان، یا مشخصه های مطلوب فرهنگی، تقویت کند. توانایی بر جداسازی ژنتیک، تعارضات بی‏سابقه ای را پیرامون مفهوم سنتی از مقررات حقوق بشر به همراه می‏آورد. آیا نسل‏های آینده باید به تعریف «فردیت » ( Personhood ) که در اکثر موافقت نامه های حقوق بشر به کار رفته است، بپردازند؟
آیا نسل‏های آینده حق دارند که یک ژن ساخته نشده در «پایگاه ژنی‏» را به ارث بگذارند؟ آیا برخورداری از حق حیات، ربطی به این که آن حیات چگونه به صورت ژنتیک عرضه شده است، دارد؟ آیا شایسته است مردمی که مایل به برخورداری از شرایط ژنتیک خاصی می‏باشند، حمایت همگانی جامعه را دریافت کنند؛ همان طور که گروه های مذهبی، قومی و نژادی چنین حمایت هایی را دریافت می‏کنند؟ چگونه یک دولت به رسمیت شناخته می‏شود، اگر متقاضی، ایجاد کننده و به کار برنده فناوری ناقض حقوق بشر می‏شود؟ تعاریف سنتی از نقض حقوق بشر، شامل موضوعات اخلاقی که توسط فناوری تولید نسل به وجود آمده است، نمی‏شود. بنابراین فناوری ژنتیک، تعارض شگفت آوری در حقوق بشر پدید می‏آورد؛ زیرا یک پارادکس ادراکی است که نیازمند محافظت دولت ها از حقوق بشر در قبال تهدید والدین، پزشکان، دانشمندان، کارفرمایان و شرکت های بیمه است.

مفاهیم سنتی

سناریوهای حقوق بشری، نقش تکراری‏ای را به دولت، به عنوان ناقض حقوق بشر می‏دهند. آنها حکومت ها را به عنوان هیولاهای تمرکز یافته ای ترسیم می‏کنند که به طور جدی با مردمشان بد رفتاری می‏کنند. به خاطر نقش رهبری دولت ها، سناریوهای سنتی، موضوعات حقوق بشری را در سطح عمومی محدود می‏کنند؛ یعنی در جایی که افراد با ماموران دولتی مواجه می‏شوند. در نتیجه، ادعاهای بدرفتاری از طرف اشخاص خصوصی (نه عمومی و دولتی) خارج از چارچوب حقوق بشر بین المللی قرار می‏گیرد. تحلیل‏های متداول نیز «قربانی حقوق بشر» را به عنوان یک عضو زنده از گروه معین که توسط مرزهای فکری احاطه شده است، توصیف می‏کند. در بیشتر موارد، اعضای این گروه، توسط نژاد، یا جنس یا انتساب به یک قومیت، ملت، به همه یا گروه مذهبی به صورت فیزیکی قابل تفکیک هستند. مضافا این که، چارچوب سنتی، سازمان های حقوق بشری را در یک وضعیت واکنشی گرفتار می‏سازد؛ زیرا موارد نقض به طور طبیعی غیر قابل پیش بینی هستند و سازمان ها، تنها بعد از وقوع آنها می‏توانند این موارد نقض را مورد خطاب قرار دهند. در نتیجه، نقش سازمان های بین المللی حقوق بشر، بیشتر متوجه پی‏گیری است تا ممانعت از موارد نقض.

تعاریف جدید

با اضافه کردن بازیگران و موضوعات جدید به چارچوب حقوق بشر، فناوری ژنتیک با بی‏اعتنایی به مفاهیم جوشیده از الگوی موجود (سنتی) نیاز به زبان اصلاح شده ای را آشکار می‏سازد. فناوری ژنتیک، موضوعات حقوق بشری را خصوصی می‏سازد. این امر با قراردادن قدرت نقض حقوق در دستان عوامل خصوصی در جامعه - مانند شرکت های بیوتک (تکنولوژی حیات) که این فناوری را توسعه می‏دهند صورت می‏گیرد. با تخصصی شدن متمرکز آنها، شرکت های بیوتکنولوژی، گونه ای از قدرت را توسعه می‏دهند که شبیه قدرت دولت است. بدین ترتیب، عملکرد آنها سزاوار بررسی دقیق، طبق استانداردهای حقوق بشر بین المللی است.
نقش رو به افزایش عوامل خصوصی نیز گویای انتشار قدرت از دولت تمرکزگرا به افراد متفرق در جامعه است. تقاضای عمومی گسترده و سرمایه های تجاری هجوم آورنده در ارتباط با فناوری ژنتیک، می‏تواند ماهیت اصلاح نژادی را از یک برنامه با مدیریت دولتی (مانند حکومت نازی در آلمان) به یک حرکت همگانی تغییر دهد؛ مضافا این که، فناوری ژنتیک در نهایت، بخش‏های گسترده جامعه را فراتر از گروه های خاص تعریف شده، متاثر خواهد کرد. بنابراین با نیاز آزمایش‏های ژنتیک به ایجاد یک «ذخیره از افراد مناسب یا مطلوب‏» کارفرمایان، بیمه گران و سایر عوامل اساسی، می‏توانند مدل‏های جدیدی از اصلاح نژاد را در شکل‏های کاربردی و پرونده های کلینیکی تغییر دهند. پزشکان می‏توانند با اجرای تغییر بر روی «جنین ها» ، اصلاحات ژنتیکی مهمی را ایجاد نمایند که ممکن است تمام خانواده ها را دست خوش تغییرات مضر یا خسارت های اجتماعی سازد. خصوصی‏سازی قدرت استفاده از این فناوری، می‏تواند طبیعت «قربانی حقوق بشری‏» را کاملا تغییر دهد.
هنگامی که قدرت نقض حقوق بشر از طریق آزمایش‏ها و ابزارهای درمان در جامعه منتشر شود، تاثیرات سوء استفاده در مقیاس بزرگ صورت می‏گیرد. تبعیض می‏تواند به صورت نژادی، یا سایر دسته بندی‏های متداول، ارتقاء یابد؛ به گونه ای که بخش‏های وسیعی از جامعه را تحت تاثیر قرار دهد. مضافا این که، با گسترش این تبعیض به نسل‏های آینده، فناوری ژنتیک یک بعد مادی را در تجاوز به حقوق بشر می‏افزید. به این صورت که نوسازی‏های فناوری که محدوده های اجتماعی و تولید نسل را به یکدیگر ربط می‏دهد، محدوده قربانی را از «گروه های خاص انسانی‏» به «تمام بشریت » می‏گسترداند. رژیم جاری حقوق بشر، نیاز به گسترش زبان خود دارد تا نه تنها قلمرو فردی، بلکه وضعیت مستمری را شامل شود. نسل کشی ( Genocide ) تاثیرات «بین نسلی‏» و «میان بخشی‏» فناوری ژنتیکی با تعاریف متداول از موارد نقض حقوق بشری، مخالفت می‏کند که از جمله آنها نسل‏کشی ( Genocide ) است که به صورت مفهومی متکی بر عناصری مانند «تجاوز دولتی‏» ، «نقض واضح‏» و «گروه قربانی مشخص‏» می‏باشد.
مفهوم جدیدی که از یک «قربانی‏» توسط بیوتکنولوژی اقامه شده است، به جست وجو در مرزهای قابل تعریف از نسل‏کشی دعوت می‏کند. کاربرد گسترده فناوری ژنتیکی، منطقا با «نسل‏کشی‏» ای که توسط «کنوانسیون نسل‏کشی‏» تعریف شده، قابل مقایسه است. این تعریف مربوط به «تخریب عمدی تمامیت یک گروه ژنتیکی و تکمیل آزمایش‏هایی برای جلوگیری از تولید مثل در آن گروه است » ، این مشابهت ها، این سؤال را برمی‏انگیزد که آیا تعریف نسل‏کشی، باید شامل منع اجتماعی از فعالیت های ژنتیکی نیز بشود؟ آیا نسل‏کشی برای «مظاهر حیات » به مانند «خود حیات » نیز به کار می‏رود؟ آیا بیوتکنولوژی، گسترش‏دهنده جرم متمایزی از نسل‏کشی است؟

رهایی از تجلی ژنتیکی

دستاوردهای متداول از فناوری ژنتیک، سازمان های حقوق بشر را مجبور می‏کند که آنها ابراز دارند که آیا نسل‏های آینده، حق «توارث ژنتیک‏» آزاد از تحریف انسان را دارند؟ مباحث علمی اخیر، بر حق «جنین فردی‏» در «آزادی از دستکاری ژنتیکی‏» با اتکا بر «فقدان رضایت آگاهانه » یا «خطرات غیرقابل پیش‏بینی ناشی از تغییرات ژنتیک‏» متمرکز شده اند. از این رو، این سؤال پاسخ نمی‏دهد که آیا انسان های کنونی و آینده، یک حق دسته جمعی (همگانی) را برای زندگی در جهانی که از لحاظ ژنتیکی متنوع است، دارند یا خیر؟
این پرسش جدید، به معنای دریافتی، جدا از «حقوق محیط زیست بین المللی‏» مربوط به «تنوع حیاتی‏» است و آنها را در مسیر «ژنتیک انسانی‏» به کار می‏برد. این فناوری ژنتیکی است که می‏تواند ویژگی‏های ژنتیکی انسان را به خطر اندازد و سازمان های بین المللی حقوق بشر، باید با درک این که ژنتیک انسانی، هم به صورت ذاتی ارزشمند است، و هم برای توسعه اجتماعی، علمی و فرهنگی نژاد بشر سودمند است، به این پرسش پاسخ دهند. بر این اساس، استدلال «تنوع حیاتی‏» ، حق حیات را در شرایط تنوع ژنتیکی که در گونه های انسانی تجلی می‏یابد، مجددا به خاطر می‏آورد.

نتیجه گیری

پیشرفت فناوری ژنتیک، امری غیرقابل اجتناب است. حکومت ها نظام‏مندی آن را با این تصور که واقعیت دور از دسترس است، دایما به تعویق می‏اندازند. در هر حال، پیشرفت های اخیر، در خصوص تولید یک گوسفند و گونه ای از میمون ها، این واقعیت را نزدیک‏تر می‏سازد. هرچه دانشمندان، مشکلات را برطرف می‏کنند، آینده نزدیکتر به نظر می‏رسد و حکومت ها فرصت خواهند یافت که به گرفتاری‏های اخلاقی در خصوص فناوری ژنتیکی، دوباره بیندیشند و قوانین موجود را بر طبق آن بازنویسی نمایند. نظام بخشیدن، نیازمند «زبان » و «زبان » نیازمند «تعاریف‏» است و تعاریف با ظرفیت های فناوری تغییر می‏یابد. فناوری ژنتیک از نظر ذهنی، موارد نقض حقوق بشر را بزرگ‏تر می‏نماید؛ زیرا «قدرت » را از تعداد محدود (دولت ها) به عده ای فراوان (دانشمندان، سرمایه داران و)... منتقل می‏کند، و محدوده ها را از یک فرد، به یک سطح جمعی ارتقا می‏دهد و بر سلامت خانواده ها برای قرن های آینده اثر می‏گذارد.
از آنجا که حکومت ها اصول حقوق بشر را برای محدود کردن، یا گسترده تر کردن دستیابی به فناوری ژنتیکی به کار می‏گیرند، نیازمند یک «زبان حقوق بشری‏» هستند تا ابعاد ویژه و غیرمتداول پیشرفت های فناوری را تطبیق دهد. از اینجاست که حکومت ها نیاز به زبانی می‏یابند که مانند «فناوری‏» ، هنر دولت به شمار آید. فناوری ژنتیک به سازمان حقوق بشری اجازه می‏دهد که نقش فعالی در جلوگیری از نقض حقوق بشر ایفا کند. از آنجا که دانشمندان، اغلب می‏توانند توسعه فنون در سال‏های بعد را پیش‏بینی کنند، سازمان های حقوق بشر، فرصت کافی برای ارزیابی مجدد و ارتقای زبان خود، سازمان دهی و ارتقای مواد مورد بحث‏خود را، قبل از آنکه منجر به نقض حقوق بشر شود، دارا می‏باشند.
افزون بر پاسخ‏گویی به موارد نقض، آنها می‏توانند از کند کردن زمان، برای کمک کردن به دولت ها در تنظیم سیاست هایی که از نقض حقوق بشر جلوگیری می‏نماید، بهره گیرند. توانایی جامعه علمی در پیش‏بینی بالقوه سوءاستفاده از فناوری ژنتیکی، می‏تواند تولد دوباره سازمان های حقوق بشر را از طریق تغییر خود به صورت عوامل مؤثر در عرصه سیاست گذاری، فراهم نماید. سازمان های حقوق بشر، می‏توانند با بهره گیری از «علم‏» ، برخی داروهای پیشگیرانه را کشف کنند. دانشمندان، غالبا متخصصان ژنتیک را با فضانوردان مقایسه می‏کنند که شجاعانه مرزهای ناشناخته فرافضایی را کشف می‏کنند.
باید اذعان کرد که به طور معناداری، نژاد ژنتیکی خطرناک‏تر از جست وجوی کهکشان است؛ زیرا در عرصه محدودتری نمود می‏یابد. پیشرفت های آینده و کاربرد فناوری ژنتیک حداکثر تاثیر را بر ارزیابی انسان ها از یک‏دیگر و اینکه افراد با یک‏دیگر چگونه تعامل نمایند، خواهد گذاشت. ورای تمام تلاش‏ها برای «رمزگشایی‏» یا «تغییر ژن انسانی‏» یک تلاش و عزم جهانی برای تعیین هویت انسان در جریان است. با جلوداری این تحقیق، جامعه علمی می‏تواند حیات را آن گونه که انسان می‏شناسد، دوباره تعریف کند. با فراهم آوردن یک زبان پویا، سازمان های حقوق بشر می‏توانند تعریفی دوباره از حیات - آن گونه که انسان می‏خواهد بشناسد - ارایه دهند.
منابع تحقیق : هفته نامه ی پگاه حوزه، شماره ۸۸
خبرگزاری فارس

گذری بر کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت آب(قسمت اول)

گذری بر کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت آب(قسمت اول)

جمعیت جهان در حال افزایش و منابع آب آشامیدنی رو به کاهش است؛ بنابراین ممکن است جهان در آینده با مشکل کمبود آب مواجه شود. افزایش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی نیز تشدید می‌شود سبب شده‌است تا تأمین آب بهداشتی به یکی از دغدغه‌های اساسی جامعه جهانی تبدیل شود. امراض ناشی از آلودگی‌های آب هرروزه هزاران و شاید دهها هزار نفر را می‌کشد.
توانایی بازیافت آب، امکان دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را ایجاد می‌کند. با به کارگیری فناوری‌های الکتریکی و مکانیکی به ‌سادگی می‌‌توان آب آلوده را برای استفاده در کشاورزی و یا حتی برای مصارف خانگی بازیافت نمود. بدین‌ترتیب فیلترنمودن آب با فیلترهای نانومتری، تحولی عظیم در بازیافت و استفاده مجدد از آب‌های صنعتی و کشاورزی ایجاد می‌کند. فیلترهای فیزیکی با منافذی در حد نانومتر می‌توانند باکتری‌ها، ویروس‌ها و حتی واحدهای کوچک پروتئین را صددرصد غربال کنند. با جداساز‌های الکتریکی که یون‌ها را به وسیله صفحات ابرخازن جذب می‌کند می‌توان نمک‌ها و مواد سنگین را جذب کرد. بررسی‌ فعالیت‌های مختلف دنیا، شامل برنامه‌های در دست اجرا و برنامه‌های آتی مراکز صنعتی و پژوهشی، نشان می‌دهد که حوزه تصفیه یکی از حوزه‌های کاربرد فناوری‌نانو در صنعت آب است؛ و با بهره‌گیری از آن، هزینه‌های تصفیه آب به میزان زیادی کاهش خواهد یافت.
دو زمینه اصلی در این عرصه عبارتند از:
فیلترهای نانومتری به منظور افزایش بازیابی آب در سیستم‌های موجود؛
نانوحسگرهای زیستی به منظور تشخیص سریع و کامل آلودگی‌های آب.
در این مقاله به بررسی تعدادی از کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت آب می‌پردازیم.

نانوفیلتراسیون

فناوری‌های جدید، امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم می‌کند. آب تصفیه‌شده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آب‌معدنی تصفیه‌شده ارزش دارد. با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر، از آن حذف می‌شود. نانوفیلتراسیون یک روش مفید بین روش‌های اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون است. اولترافیلتراسیون به دلیل بالاتر بودن مقدار آلاینده‌های معدنی و قلیایی نسبت به حد مجاز و روش اسمز معکوس به دلیل تولید خلوص بیش از حد محصول و بالا بودن قیمت دارای نقایصی هستند.
دانشمندان دانشگاه باناراس (Banaras) روش ساده‌ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانولوله‌های کربنی توسعه داده‌اند که قادر به حذف مؤثر آلاینده‌های میکرو‌ و نانومقیاس از آب و نیز حذف هیدروکربن‌های سنگین از نفت خام است. استفاده از نانولوله‌های کربنی در ساخت فیلترها سبب سهولت در تمیز کردن، افزایش استحکام، قابلیت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما می‌شود. این فیلترها دارای دقت بسیار مناسبی در کاربردهای مختلف هستند، به عنوان مثال قادرند پولیوویروس‌هایی با اندازه 25 نانومتر را به خوبی پاتوژن‌های بزرگ‌تری مانندE. Coil و باکتری‌های استافیلوکوک، از آب حذف نمایند. نانوفیلتراسیون دارای مزایایی مانند قیمت پایین، و کنترل مقدار کاهش آلاینده‌ها در آب تصفیه شده است.
شرکت آرگوناید (argonide) در حال استفاده از نانوفیبرهای اکسید آلومینیوم با اندازه دو نانومتر برای تصفیه آب است. فیلترهایی که از این فیبرها ساخته شده‌اند، می‌توانند ویروس‌ها، باکتری‌ها و کیست‌‌ها را از بین ببرند.

شیرین سازی آب به وسیله نانوغشاها

غشاء نانو لوله‌ای

محققان آزمایشگاه ملیLawrence Livermore با همکاری دانشگاه برکلی کالیفرنیا غشاهایی با حفره‌هایی از جنس نانولوله‌های کربنی ساخته‌اند که به کمک آن امکان جداسازی ارزان‌تر گاز و مایع فراهم می‌شود. در حال حاضر اغلب غشاهای موجود از جنس مواد پلیمری هستند که برای کاربردهای دما بالا مناسب نیست. استفاده از این نوع غشاها نمی‌تواند توازن قابل قبولی بین ورودی غشا و قابلیت انتخاب آن برقرار نماید، یعنی ورودی بالا منجر به کاهش انتخاب‌پذیری است و بالعکس؛ اما دانشمندان با استفاده از نانولوله‌های کربنی توانسته‌اند این دو امر به ظاهر متضاد را با هم جمع و امکان انتخاب‌پذیری خوب همراه با ورودی بالا را فراهم کنند.
این محققان توانسته‌اند روشی برای ساخت این غشاها بیابند که با سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) هم سازگار باشد. این غشاهای جدید با حفره‌های کوچک‌تر و با تراکم بسیار و امکان عبور شدت جریان زیاد از هر حفره، از لحاظ گذردهی آب و هوا نسبت به غشاهای پلی‌کربناتی فعلی بسیار برترند. این غشاهای بهبود یافته کاربردهای فراوانی در تصفیه آب دارند.
کامالش سیکار(Kamalesh Sirkar) در مؤسسه فناوری نیوجرسی از روش جداسازی غشایی در شیرین‌سازی آب استفاده کرده ‌است. در روش جداسازی غشایی، آب شور داغ را روی ورقه نازکی از غشایی دارای سوراخ‌های ریز موسوم به نانوحفره می‌ریزند. این حفره‌ها آنقدر کوچکند که تنها بخار می‌تواند از آنها عبور کند و آب، مایع، نمک‌ها و مواد معدنی دیگر در پشت غشا می‌مانند. در طرف دیگر محفظه‌ای از آب سرد قرار دارد که بخار با عبور از آن، کندانس شده و دوباره به مایع تبدیل می‌شود. ابزاری که در این روش به کار رفته است، عبارت است از دستگاهی مستطیل شکل با مجموعه‌ای از غشاهای الیاف مانند توخالی که مایع به طور عرضی در آن جریان می‌یابد. این غشاها به صورت هزاران لوله به شکل تار مو در آمده، سپس آنها را به صورت بسته‌هایی داخل یک جعبه قرار می‌دهند. در این شکل نمونه آزمایشی از این دستگاه آب شیرین‌کن نشان داده شده است. در قسمت وسط، دسته‌ای از هزاران لوله توخالی شبیه تارمو قرار دارد. جداره این لوله‌ها را هم غشاهایی با نانوحفره‌های کوچک تشکیل می‌دهد.

تصفیه آب به کمک نانوذرات

نانوذرات لانتانیوم تولیدی شرکت آلتایرنانو (Altairnano) فسفات را از محیط‌های آبی جذب می‌کند. به‌کارگیری این نانوذرات در حوضچه‌ها و استخرهای شنا می‌تواند به طور مؤثری فسفات موجود را از بین برده و در نتیجه از رشد جلبک‌ها جلوگیری نمایند. تحقیقات دانشگاه Lehigh آمریکا نشان می‌دهد که نانوپودرها می‌توانند به عنوان ابزاری مناسب برای پاک‌سازی خاک‌های آلوده و آب‌های زیرزمینی استفاده شوند. نانوذرات آهن موجب اکسیده و درهم شکستگی ترکیبات آلوده کننده مانند تری‌کلرواتیلن، تتراکلرید کربن، دیوکسین‌ها وPCB ها شده، آنها را به ترکیبات کربنی با درجه سمیت بسیار پایین‌ تبدیل می‌کند .
برای از بین بردن اغلب فلزات سنگین موجود در آب، روش تصفیه کاتالیزوری گزینه مناسبی نیست، بنابراین محققان به جای آن از روش‌های جذب روی پلیمرها و یا ذرات افزودنی استفاده می‌کنند. آرسنیک از آلاینده‌های بسیار سمی رایجی است که هم به طور طبیعی و هم به شکل پساب‌های بشری باعث آلودگی آب می‌شود. مصرف این ماده سبب افزایش سرطان‌های مثانه و روده‌ می‌شود. در سطح جهان آمار مسمومیت با آرسنیک بسیار بالا است و در بسیاری از کشورهای در حال توسعه مانند بنگلادش که بیش از 10 تا 20 درصد جمعیت آن دچار مسمومیت با آرسنیک شده‌اند، یک فاجعه بهداشتی تلقی می‌شود. اغلب آلایندگی‌های ناشی از آرسنیک به کشورهای جهان سوم اختصاص دارد. به این ترتیب نیاز شدیدی به فناوری‌های نوین احساس می‌شود تا بتوان آلاینده‌های فلزی سنگین مانند آرسنیک را از آب آشامیدنی حذف کرد. به همین منظور محققان دانشگاه رایس، از نانوبلورهای مغناطیسی به عنوان هسته اصلی سیستم‌های تصفیه جدید استفاده کرده‌اند.
سطوح معدنی آهنی نه تنها تمایل شدیدی به جذب آرسنیک دارند، بلکه با انتخاب اندازه مناسب می‌توان به راحتی این ذرات مغناطیسی را به واسطه جداسازی مغناطیسی از آب جدا کرد. نانوذرات همان کارایی توده آهنی را در جذب آرسنیک دارند. در واقع نه تنها ظرفیت جذب آرسنیک آنها بالاتر است، بلکه به محض قرار گرفتن این ماده در کنار نانوذرات جدا کردن آنها سخت می‌شود. در نظر گرفتن تمام این نتایج، نشان می‌دهد که نانوذرات مغناطیسی جاذب‌های بسیار کارامدی برای آرسنیک خصوصاً در pH پایین هستند و خاصیت جذبی غیرقابل برگشت آنها مخزن مناسبی را برای جمع‌آوری آلاینده‌ها فراهم می‌کند.

تصفیه پساب‌های صنعتی

پساب‌های صنعتی صنایع شوینده، غنی از اکسیژن بیوشیمیایی و مواد فعال شیمیایی است که باید در فرایندهای تصفیه از آب زدوده شود. یکی دیگر از موادی که در پساب‌های صنعتی فراوان یافت می‌شود مواد نامحلول روغنی شامل روغن‌ها و گریس‌هاست. حضور این مواد فرایند پالایش آب را دچار مشکل می‌کند. یکی از روش‌های اقتصادی برای تصفیه این مواد، استفاده از سیستم‌های ترکیبی میکروفیلتراسیون-نانوفیلتراسیون است. در این سیستم‌ها از میکروفیلتراسیون برای زدودن ذرات معلق مانند روغن‌ها و گریس‌ها و از نانوفیلتراسیون برای حذف پاک‌کننده‌ها استفاده می‌شود.

تصفیه فاضلاب‌ها

محققان دانشگاهUniSA در استرالیا به دنبال توسعه روش منحصر به فردی برای تصفیه فاضلاب‌ها هستند که بدون استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت، کیفیت آب را بیشتر از روش‌های موجود بهبود می‌بخشد. آخرین مرحله تصفیه آب، حذف موجودات زنده بسیار ریز است. در حال حاضر از کلر به عنوان ماده ضدعفونی‌کننده استفاده می‌شود، ولی در این حالت حتی بعد از تصفیه هم ترکیبات ارگانیک زیادی در آب حضور دارند. کلر موجودات زنده ریز را از آب حذف می‌کند، ولی با آلاینده‌های ارگانیک واکنش داده، محصولات جانبی تجزیه‌ناپذیر و سمی تولید می‌کند که نمی‌توان آنها را از آب حذف کرد. انتقال این مواد به محیط‌زیست و استفاده از آنها در کشاورزی و دیگر صنایع می‌تواند مشکلات بهداشتی جدی ایجاد کند.
تصفیه فاضلاب به کمک نانوکاتالیزور نوری می‌تواند جایگزین سومین مرحله تصفیه یعنی ضد عفونی با کلر شود تا موجودات زنده ریز و ترکیبات آلی را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به یک منبع آب مناسب تبدیل کند. به طور طبیعی موجودات زنده ریز، ترکیبات ارگانیک بزرگ را کوچک‌تر می‌کنند؛ اما از آنجا که این ترکیبات به طور زیستی تجزیه ناپذیرند، ما مجبور به استفاده از نوعی انرژی برای تجزیه آنها هستیم. این انرژی از اشعه فرابنفش نور خورشید گرفته می‌شود و به همراه کاتالیزورهای نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
انرژی تولید شده از واکنش سلول کاتالیزوری نوری می‌تواند موجودات زنده ریز را کشته و ترکیبات تجزیه‌ناپذیر را تجزیه کند. این فرایند به دلیل امکان استفاده مجدد از کاتالیزورهای نوری، بسیار مقرون به صرفه است . ذرات کاتالیزوری چه به صورت همگن در محلول پراکنده شده یا روی ساختارهای غشایی رسوب داده شده باشند، می‌توانند ما را از تجزیه شیمیایی آلاینده‌ها مطمئن سازند.
اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود فعالیت کاتالیزوری شناخته شده است و دانشمندان از آن در حذف تری‌کلرواتیلن (TCE) از آب‌های زیرزمینی استفاده کرده‌اند. تحقیقات مرکز فناوری‌نانوی زیست‌محیطی (CBEN) دانشگاه‌ رایس نشان می‌دهد نانوذرات طلا و پالادیم، کاتالیست‌هایی بسیار مؤثر برای حذف آلودگی‌TCE از آب هستند.
مزیت‌های حذف TCE با پالادیم به خوبی مشخص است ولی این روش تا حدودی پرهزینه است. با به کارگیری فناوری‌نانو می‌توان تعداد اتم‌های در تماس با مولکول‌های TCEو در نتیجه کارایی این کاتالیست را چندین برابر کاتالیست‌های رایج افزایش داد. TCE حلال رایج در روغن زدایی از فلزات و قطعات الکترونیکی، یکی از مواد آلی سمی رایج در منابع آب است و در 60 درصد پسماندهای صنعتی به عنوان آلودگی وجود دارد. تماس آن با بدن باعث صدمه زدن به کبد و بروز سرطان می‌شود. کاتالیست‌های شیمیایی نسبت به کاتالیست‌های زیستی بسیار سریع‌تر عمل می‌کنند ولی بسیار گران هستند. یکی از مزیت‌های کاتالیست‌های پالادیم برای تجزیه TCE این است که پالادیم، این ماده را مستقیماً به ماده غیرسمی اتان تبدیل می‌کند. در حالی که کاتالیست‌های رایج مانند آهن، آن را به برخی مواد واسطه سمی مانند وینیل‌کلراید تبدیل می‌کنند.
محققان دانشگاه رایس روش جدیدی را توسعه داده‌اند که طی آن نانوبلورهای تیتانیوم با سطح ویژه بالا (بیش از 250 m2/g برای حذف آروماتیک‌های آلی تولید می‌شوند. این مواد تحت تابش اشعه فرابنفش، قابلیت اکسیداسیون نوری بسیاری از مولکول‌ها را پیدا می‌کنند.
همچنین C60 کاتالیزور نوری بسیار خوبی است که کارایی آن صدها برابر بیش از تیتانیای موجود در بازار است. تولید رادیکال آزاد به وسیله C60 متراکم در آب، امکان تجزیه آلاینده‌ها را فراهم می‌کند
منبع:irannano.org

گذری بر کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت آب(قسمت دوم)

گذری بر کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت آب(قسمت دوم)

جیوه‌زدایی از آب

محققان آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث‌وست آمریکا، از سرامیک‌های نانوحفره‌ای که با تک‌لایه‌های تیول (SH)، عامل‌دار شده بودند، برای جیوه‌زدایی از آب استفاده کردند. تک‌لایه‌های خودسامان تیول بر روی سیلیکای میان‌حفره‌ای (Thiol-SAMMS) می‌توانند کاربردهایی در تصفیه فاضلاب نیروگاه‌های زغال‌سنگی داشته ‌باشند. این نیروگاه‌ها از منابع اصلی آلودگی جیوه به شمار می‌روند. محققان زیرلایه‌‌ای از جنس سیلیکای میان‌حفره‌ای را با میانگین اندازه حفرات 5.6 نانومتر و سطح ویژه 900 m2/g به‌کار بردند. آنها با افزودن تک‌لایه‌ای از تیول‌های قلیایی به حفرات این سرامیک، آن را فعال ساختند. دسترسی به یک فناوری برای حذف جیوه که علاوه بر انتخاب‌گری، ظرفیت جذب بالا و سینتیک جذب مناسب، منجر به تولید پسماندی پایدار گردد، یکی از نیازهای فوری در زمینه تصفیه جیوه است. نه‌تنها کارایی روش‌های متعارف حذف جیوه، پایین‌تر از این روش است؛ بلکه این روش‌ها منجر به تولید مقادیر زیادی پسماند می‌شوند. ماده جدید علاوه بر پاکسازی فاضلاب نیروگاه‌های زغال‌سنگی می‌تواند در تصفیه پسماندهای رادیواکتیو، تولید باتری و مصارف دندانپزشکی نیز به‌کار رود.
شرکت‌های فعال در زمینه فناوری‌نانو و آب
پس از اشاره به کاربردها و قابلیت‌های فناوری‌نانو در صنعت آب، در این قسمت تعدادی از شرکت‌های فعال این صنعت که از فناوری‌نانو در محصولات و تولیدات خود استفاده کرده‌اند معرفی می‌شود. عمده فعالیت این شرکت‌ها در زمینه نانوفیلترها و در مرحله بعد نانوحسگرهایی است که به منظور تشخیص مواد و ذرات موجود در آب مورد استفاده قرار می‌گیرند .

شرکت Argonide

کشور: آمریکا
آدرس اینترنتی: www.argonide.com
زمینه فعالیت اصلی: تولید محصولات مبتنی بر فناوری‌نانو.
این شرکت تولید کننده فناوری‌های تصفیه آب، فیلترهای قوی و نانوپودرهای فلزی و اکسیدی است.

شرکت RainDance Water Systems

کشور: آمریکا
زمینه فعالیت: سیستم‌ها و تجهیزات تصفیه آب.
آدرس اینترنتی: www.watersystems.com
www.raindance.com
این شرکت در حال ساخت و بررسی خواص مختلف نانوفیلترهاست. نانوفیلترهای این شرکت قادر به جداسازی سختی‌های آب مانند کلسیم و منیزیم و همچنین باکتری‌ها، ویروس‌ها و ترکیبات آلی هستند. علاوه بر این، نانوفیلترها توانایی جداسازی آفت‌کش‌ها و آلودگی‌های آلی از آب‌های سطحی و زیرزمینی را دارند.

شرکت Lenntech Water SLuchtbehandeling Holding B. V

کشور: هلند
زمینه فعالیت اصلی: طراح و سازنده سیستم‌های تصفیه آب و هوا.
آدرس اینترنتی: www.lenntech.com
این شرکت با استفاده از فناوری‌نانو مولکولی برای تصفیه آب‌های آشامیدنی، تجاری و صنعتی، امکان توسعه سیستم‌های کارامد، کم هزینه و بدون آسیب برای محیط‌زیست را فراهم می‌کند. اولین محصول این شرکت بر مبنای این فناوری با نام تجاری RS-S عرضه و از این محصول برای جداسازی کلسیم استفاده شده است. دومین محصول این شرکت ISF92 نام دارد که از آن برای تصفیه آهن استفاده کرده است.

شرکت: GE Water and Process Technologies

کشور: آمریکا
آدرس اینترنتی: www.gewater.com
این شرکت سازنده سیستم‌های متحرک بهبود کیفیت آب برای کاربردهای مختلف است و در روش‌های فلیتراسیون خود از نانوفیلتراسیون نیز استفاده می‌نمایند.

شرکت Applied Membranes

کشور: آمریکا
زمینه فعالیت اصلی: تولید کننده اجزای سیستم‌ها و غشاهای اسمز معکوس.
آدرس اینترنتی: www.appliedmembranes.com
این شرکت تولید کننده و توزیع کننده اجزا، سیستم‌ها و غشاءهای اسمز معکوس برای کاربردهای تجاری و خانگی است. غشاهای تولیدی جزء Thin Film، CTA/CAB، اولترا فیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و میکروفیلتراسیون هستند. این شرکت دو نوع نانوفیلتر با نام‌های NF3 و NF9 تولید می‌کند.

شرکت Dow Chemical Company

کشور: آمریکا
آدرس: www.dow.com
زمینه فعالیت اصلی: تولید محصولات شیمیایی، کشاورزی، پلاستیکی و خدمات در صنایع مختلف.
محصولات این شرکت در حوزه آب، شامل مواد افزودنی به آب برای کاربردهای گوناگون، انواع لوله‌های انتقال آب و سیستم‌های تصفیه است. مهم‌ترین کاربرد فناوری‌نانو در این شرکت در سیستم‌های تصفیه آب است که شامل رزین‌های تبادل یونی و غشاهای اسمز معکوس می‌گردد. غشاهای تولید شرکت با نام تجاری FILMTEC در روش‌های اسمز معکوس و نانوفیلتراسیون کاربرد دارند
منبع:IRANNANO.ORG

کاربرد های نانو تکنولوژی

کاربرد های نانو تکنولوژی

یکی از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یک میلیاردم واحد آن مقیاس است.برای مثال یک نانومتر معادل یک میلیاردم متر است. با توجه به اینکه یک سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به کوچکی این مقیاس پی برد. از آنجایی که علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی، فیزیک، بیولوژی، پزشکی، مهندسی و الکترونیک را در بر می گیرد،‌گروه بندی آن بسیار پیچیده است.
یکی از پیشوندهای مقیاس اندازه گیری در سیستم SI نانو به معنی یک میلیاردم واحد آن مقیاس است.برای مثال یک نانومتر معادل یک میلیاردم متر است. با توجه به اینکه یک سلول بدن بیش از صدها نانومتر است می توان به کوچکی این مقیاس پی برد. از آنجایی که علوم نانو بخش وسیعی برگرفته از مباحث شیمی، فیزیک، بیولوژی، پزشکی، مهندسی و الکترونیک را در بر می گیرد،‌گروه بندی آن بسیار پیچیده است.
دانشمندان، علوم نانو را به چهار گروه شامل مواد (گروه اول)، مقیاس ها (گروه دوم)، تکنولوژی الکترونیک، اپتوالکترونیک، اطلاعات و ارتباطات (گروه سوم) و بیولوژی و پزشکی (گروه چهارم) طبقه بندی کرده اند. این طبقه بندی باعث سهولت در بررسی این علوم شده است البته تداخل برخی از بخش ها در یکدیگر طبیعی است. برنامه های توسعه این تکنولوژی به سه بخش کوتاه مدت (کمتر از پنج سال)، میان مدت( بین ۱۵-۵ سال) و بلند مدت (بیش از ۲۰ سال) تقسیم بندی شده است. مواد نانو ( nanomaterials ) قابلیت کنترل ساختار تشکیل دهنده مواد پیشرفته (از فولادهای ساخته شده در اوایل قرن ۱۹ تا انواع بسیار پیشرفته امروزی) در ابعاد کوچک و کوچکتر،‌ در اندازه های میکرو و نانو بوده است.
هر قدر بتوانیم این مواد را در ابعاد ریزتر و کنترل شده ای تولید کنیم خواهیم توانست مواد جدیدی را با قابلیت و عملکردهای بسیار عالی به دست آوریم. تاکنون تعاریف متعددی از مواد نانو ارائه شده است اما در یک تعریف جامع می توان گفت موادی در این گروه قرار می گیرند که یکی از ابعاد اضلاع آنها از ۱۰۰ نانومتر کوچکتر باشد. یکی از این گروهها »لایه ها« است. لایه ها یک بعدی هستند که در دو بُعد دیگر توسعه می یابند مانند فیلم های نازک و پوششها. برخی از قطعات کامپیوتر جزو این گروه هستند. گروه بعدی شامل موادی است که دارای دو بعد هستند و در یک بعد دیگر گسترش می یابند و شامل لوله ها و سیمها می شوند. گروه مواد سه بعدی در نانو شامل ذرات، نقطه های کوانتمی (ذرات کوچک مواد نیمه هادیها) و نظایر آنها می شوند. دو ویژگی مهم، مواد نانو را از دیگر گروهها متمایز می سازد که عبارتند از افزایش سطح مواد و تاثیرات کوانتمی.
این عوامل می توانند باعث ایجاد تغییرات و یا به وجود آمدن خواص ویژه ای مانند تاثیر در واکنشها، مقاومت مکانیکی و مشخصه های ویژه الکتریکی در مواد نانو شوند. همانگونه که اندازه این مواد کاهش می یابد، تعداد بیشتری از اتمها در سطح قرار خواهند گرفت. برای مثال، اتم های موادی به اندازه ۳۰ نانومتر به میزان ۵ درصد، ۱۰ نانومتر به میزان ۲۰ درصد و ۳ نانومتر به میزان ۵۰ درصد در سطح قرار دارند. در نتیجه مواد نانو با ذرات کوچکتر در مقایسه با مواد نانو با ذرات بزرگتر دارای سطح بیشتری در واحد جرم هستند. با توجه به ازدیاد سطح در این مواد، تماس ماده با سایر عناصر بیشتر شده و موجب افزایش واکنش با آنها می شود. این عمل منجر به تغییرات عمده در شرایط مکانیکی و الکترونیکی این مواد خواهد شد. برای مثال سطوح بین ذرات کریستالها در بیشتر فلزات باعث تحمل فشارهای مکانیکی بر آن می شود. اگر این فلزات در مقیاس نانو ساخته شوند، با توجه به ازدیاد سطح بین کریستالها، مقاومت مکانیکی آن به شدت افزایش می یابد.
برای مثال فلز نیکل در مقیاس نانو مقاومتی بیشتر از فولاد سخت شده دارد. به موازات تاثیرات ازدیاد سطح، اثرات کوانتمی با کاهش اندازه مواد (به مقیاس نانو) موجب تغییر در خواص این مواد می شود (تغییر در خواص بصری، الکتریکی و جاذبه). موادی که تحت تاثیر این تغییرات قرار می گیرند ذرات کوانتمی، لیزرهای کوانتمی برای الکترونیک بصری هستند. همانگونه که بیش از این گفته شد مواد نانو، به سه گروه یک، دو و سه بُعدی طبقه بندی شده اند.

مواد نانوی یک بعدی:

این مواد شامل فیلم های بسیار نازک و سطوح مهندسی است و در ساخت ابزار الکتریکی و شیمیایی و مدارهای الکترونیکی ساده و مرکب کاربرد وسیعی دارند. امروزه کنترل ضخامت لایه ها تا اندازه یک اتم صورت می پذیرد و ساختار این لایه ها حتی در مواد پیچیده ای مانند روانکارها شناخته شده است. لایه های مونو که قطر آنها به اندازه یک ملکول و یا یک اتم است، در علوم شیمی کاربرد وسیعی دارند. یکی از کاربردهای این لایه ها ساخت سطوحی است که خود را بازسازی کنند. مواد نانوی دوبعدی: به تازگی کاربرد مواد نانوی دو بعدی در تولید سیم و لوله ها افزایش یافته و توجه دانشمندان را به دلیل وجود خواص ویژه مکانیکی و الکترونیکی به خود جلب کرده است. در زیر به چند نمونه ساخته شده در این گروه اشاره می شود.

نانو لوله های کربنی، CNTs :

از رول کردن ورقهای گرافیتی یک یا چند لایه ساخته شده و قطر آنها چند نانو و طولشان چند میکرومتر است.ساختار مکانیکی این مواد مانند الماس بسیار سخت است اما در محورهای خود نرم و تاشو هستند.همچنین این مواد هادی الکتریکی بسیار عالی هستند. نوع غیر عالی نانو لوله های کربنی مانند مولیبید یوم دی سولفاید پس از CNTs ساخته شده است.
این مواد دارای ویژگی های منحصر به فردی همچون روانکاری، مقاومت در برابر ضربات امواج شوکها، واکنشهای کاتالیزی و ظرفیت بالا در ذخیره هیدروژن و لیتیم هستند. لوله های مواد پایه اکسیدی مانند اکسید تیتانیم، برای کاربردهای کاتالیزی، کاتالیزرهای نوری و ذخیره انرژی به صورت تجاری به بازار عرضه شده اند. نانو سیمها: این سیمها از قرار گرفتن ذرات بسیار ریز از مواد مختلف به صورت خطی ساخته می شوند.
نانوسیمهای نیمه هادی از سیلیکون، نیترات گالیم و فسفات ایندیوم ساخته شده و دارای قابلیتهای بسیار خوب نوری، الکتریکی و مغناطیسی است و نوع سیلیکونی این سیمها می تواند بخوبی در یک شعاع بسیار کوچک بدون آسیب رسانی به ساختار سیم خم شود. این سیمها برای ثبت مغناطیسی اطلاعات در حافظه کامپیوترها، وسایل نانوالکترونیکی و نوری و اتصال مکانیکی ذرات کوانتمی به کار می روند.

بیوپلیمرها:

انواع گوناگون بیوپلیمرها، مانند ملکولهای DNA ، در خودسازی نانوسیمها در تولید مواد بسیار پیچیده به کار می روند. همچنین این مواد دارای قابلیت اتصال نانو و بیوتکنولوژی برای ساخت سنسور و موتورهای کوچک هستند.

مواد نانوی سه بعدی:

این مواد به آن گروه تعلق دارد که قطری کمتر از ۱۰۰ نانومتر داشته باشند. مواد نانوی سه بعدی در اندازه های بزرگتر ساختار متفاوتی داشته و طیف وسیعی از مواد را در جهان تشکیل می دهند و صدها سال است که به صورت طبیعی در زمین یافت می شوند. مواد تولید شده از عوامل فتوشیمیایی، فعالیت های آتش فشانها، مواد محترق از پختن غذا، مواد متصاعد از احتراق سوخت ماشین ها و مواد آلاینده تولید شده در صنایع جزو این گروه از مواد هستند. این مواد به علت رفتار متفاوت در واکنش های شیمیایی و بصری بسیار مورد توجه قرار دارند.
برای مثال اکسید تیتانیوم و روی که بصورت شفاف و فرانما، جاذب و منعکس کننده نور ماورای بنفش در صفحات خورشیدی به کار می روند در ابعاد نانو هستند. این مواد کاربردهای بسیار ویژه ای در ساخت رنگها و داروها (به ویژه داروهایی که تجویز آنها فقط برای یک عضو مشخص بدن و بدون تاثیر بر سایر اعضاست) دارند. مواد نانوی سه بُعدی شامل مواد بسیاری می شود که به چند نمونه از آنها اشاره می کنیم.

کربن ۶۰ ( فوله رنس Fullerenes ) :

در اوایل سال ۱۹۸۰ گروه جدیدی از ترکیبات کربنی بنام کربن ۶۰ ، ساخته شد. کربن ۶۰ ، کروی شکل، به قطر ۱ نانومتر و شامل ۶۰ اتم کربن است که به علت شباهت ساختار مولکولی آن با گنبدهای کروی ساخته شده توسط مهندس معماری بنام بوخ مینستر فولر بنام »فوله رنس« نامگذاری شد.
در سال ۱۹۹۰ ، روش های ساخت کوانتم های کربن ۶۰ با مقاومت حرارتی میله های گرافیتی در محیط هلیم بدست آمد. این ماده در ساخت بلبرینگ های مینیاتوری و مدارهای الکترونیکی کاربرد وسیعی دارند.

دِن دریمرز ( Dendrimers ) :

دن دریمرز از یک ملکول پلیمر کروی تشکیل شده و با یک روش سلسله مراتبی خود سازی تولید می شوند. انواع گوناگونی از این مواد به اندازه های چند نانومتر وجود دارند. دن دریمرز در ساخت پوششها، جوهر و حمل دارو به بدن کاربرد فراوانی دارند.
همچنین در تصفیه خانه ها به منظور بدام انداختن یونهای فلزات که می توان به وسیله فیلترهای مخصوص از آب جدا شوند از این مواد استفاده می شود.

ذرات کوانتمی:

مطالعات در مورد ذرات کوانتمی در سال ۱۹۷۰ شروع شد و در سال ۱۹۸۰ این گروه از مواد نانوی نیمه هادی ساخته شدند. اگر ذرات این نیمه هادی ها به اندازه کافی کوچک شوند، تاثیرات کوانتمی ظاهر شده و می توانند میزان انرژی الکترونها و حفره ها را کاهش دهند. از آنجایی که انرژی با طول موج ارتباط مستقیم دارد در نتیجه خواص نوری مواد بصورت بسیار حساس قابل تنظیم خواهد شد و می توان با کنترل ذرات، جذب یا دفع طول موج خاص در یک ماده را امکان پذیر ساخت.
به تازگی با ردگیری مولکولهای بیولوژی با کنترل سطح انرژی این ماده، کاربردهای جدیدی از آن کشف شده است. در حال حاضر استفاده از مواد نانو رو به افزایش است و به علت خواص بسیار ویژه آنها، تحقیقات در یافتن مواد جدید همچون گذشته ادامه دارد.

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