وبلاگ

• تاریخچه­ی فناوری نانو

   

  • نانو فناوری چیست؟

   

   

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد دراین مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و … تغییر می‌یابد. مواد بسیاری هستند که دارای خواص اجسام در مقیاس نانو هستند اما اسم نانوفناوری به آنها اطلاق نمی شود. نانوفناوری در پی آن است تا از خواص عجیب اجسام در مقیاس بسیار کوچک استفاده کند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می‌توانیم وجود “عناصر پایه” را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص‌شان در مقیاس بزرگتر فرق می‌کند )بوریسنکو وی ای[1]،2005; پژوهش ناسا توسط فریتا[2])

در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می‌توان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خرد ناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می‌دهند، شاید بتوان دموکریتوس[3]

 فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود ۴۰۰ سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژة اتم را که به معنی تقسیم‌نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده موادبه کار برد ( سایت سازمان نانو[4] ; ب.بوشان[5] ،2003) .نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. شاید بتوان گفت که اولین متخصصان نانو فناوری شیشه‌گران قرون وسطایی بوده‌اند که از قالب‌های قدیمی برای شکل‌دادن شیشه‌هایشان استفاده می‌کرده‌اند. البته این شیشه‌گران نمی‌دانستند که چرا با اضافه‌کردن طلا به شیشه رنگ آن تغییر می‌کند ( اف.الهوف ، 2010)

به نظر میرسد که درک انسان از جهان بسیار کوچک در سالهای اخیر شکل گرفته است. منشأ فناوری نانو موضوع بحث شمار زیادی از مناظره­هاست. تصور بر این است که نانوذرات حداقل در کارهای هنری قرون تاریک استفاده شده است. اما تعریف درست از دستکاری آگاهانه مواد در مقیاس نانو احتمالا توسط فیزیکدان آمریکایی “ریچارد فاینمن[7]” در سخنرانی معروفش در سال 292 مورد استفاده قرار گرفت: آن پایین فضای ‫زیادی هست[8].

‫فاینمن در این سخنرانی شرح داده است که در آینده فرآیندهایی که توانایی دستکاری اتمهای منفرد در آن ممکن است، گسترش خواهد یافت. برای یک مدت بسیار طولانی، به نظر می­رسید فناوری نانو به یکی دیگر از ایده­های مفهومی که به داستانهای علمی-تخیلی تبدیل میشود، ملحق شود. اما در نهایت، پس از سال ‫1980 ، این ایده به واقعیت پیوست.

نانو تکنولوژی، علم نانو، ساختار نانو، ذرات نانو اکنون کلماتی هستند که بیشترین کاربرد را در ادبیات علمی دارند. موادی با ابعاد نانو بسیار جذاب هستند چرا که آنها قادر به عبور از بدن انسان و ترمیم بافت های آسیب دیده می باشند، یا سوپر کامپیوترها که آنقدر کوچک هستند که در جیب جای می گیرند، با اینهمه مواد با ساختار نانو توانایی و پتانسیل کار در بسیاری از حوزه های علوم را دارند مثل شناسایی بیولوژیکی، انتقال داروی کنترل شده، لیزر با آستانه پایین، فیلترهای نوری و همچنین نانو سنسورها و غیره[1,3]. نانو ذرات ذراتی هستند با محدوده اندازه‌ی 1 تا 100 نانومتر. دراین جا نوع فلزی نانوذرات به ویژه نوع مغناطیسی آن بیشتر مد نظر بوده که نانوذرات ترکیبی، نظیر ساختارهای هسته ‌لایه را نیز در بر می‌گیرند. نانوذرات در اندازه‌های پایین نانوخوشه به حساب می‌آیند.

نانوذرات مغناطیسی در حوضه‌های مختلف از علوم زیستی گرفته تا سلول‌های خورشیدی، از مبارزه با آلاینده‌های زیست‌ محیطی گرفته تا درمان سرطان‌ها بکار گرفته می‌شوند. با توجه به هم‌خوانی که بین سه پدیده‌ی نانو، مغناطیس و بیو وجود دارد کاربرد نانوذرات مغناطیسی در عرصه‌ی بیو و پزشکی بیش از سایر حوضه‌ها مهیج و در عین حال هم‌گون می‌باشد. استفاده از ذرات مغناطیسی در جداسازی سلول‌ها، آزمایش‌های سنجش ایمنی، جداسازی ویروس‌ها و اندامک‌ها و نیز در ژنتیک مولکولی در چند سال اخیر مسیر رو به رشدی را داشته است. چراکه ذراتی با ویژگی‌های مورد نیاز برای ارزیابی‌های گوناگون زیستی تنها در چند سال پیش پا به عرصه‌ی رقابت گذاشته‌اند. ذرات مغناطیسی پلی‌مری ابتدایی از طریق شکل گیری درجایِ اکسیدآهن مغناطیسی درون ذرات پلی‌مری منفذ دار ساخته می‌شدند که در عین هم انداز‌گی تا حدود 35 درصد وزنی، حاوی آهن (اکسید مغناطیسی) بودند، و سطح ویژه‌ی بالایی نیز داشتند(ml/g100-50.) اما در برخی کاربردها نیاز به سطح ویژه‌ی کمتری است. با پوشش دادن ذرات مغناطیسی به وسیله‌ی ترکیبات پلیمری می‌توان سطح ویژه‌ را تا حد ml/g5-3 کاهش داد. علاوه بر این، پوشش دادن ذرات این امکان را فراهم می‌کند تا گروه‌های فعال روی سطح ذرات قرار گیرند. انواع گوناگون ذرات مغناطیسی با گروه‌هایی همچون: ایزوسیانات، اپوکسی، وینیل و… در سطحشان ساخته شده است. گروه‌های فعال برای اتصال بازوبندهای رابط4 دارای گروه‌های آمین، کربوکسیل و هیدروکسیل انتهایی به کار گرفته می‌شوند.

 همچنین با روش مشابهی می‌توان گروه‌های آبدوست قوی با منشاء طبیعی و یا مصنوعی را روی سطح ذرات قرار داد. با استفاده از عامل‌دار نمودن نانوذرات مغناطیسی در عرصه‌ی تشخیص گام‌های بلندی برداشته شده است. می‌توان نانوذرات مغناطیسی را بسته به نوع نیاز تغییر داد؛ به عنوان مثال، خصوصیت شیمیایی ویژه، فعالیت نوری منحصربه‌فرد و یا پاسخ‌های آهن‌ربایی قوی از آن‌ها دریافت کرد. امروزه نانوذرات مختلفی برای شناسایی مواد ژنتیکی و پروتئین‌ها طراحی شده است. تمامی این روش‌ها برای شناساییDNA و پروتئین‌ها نظیر آنتی‌بادی‌ها بسیار اختصاصی و حساس می‌باشند. بنابراین با بکارگیری نانوذرات فعال شده، می‌توان روش‌های جدیدی با تکیه بر متحرک بودن و سهولت در آماده سازی نمونه طراحی نمود. با اتصال مولکول‌های زیستی به نانومواد، دانش Nano-biorecognition پا به عرصه‌ی وجود گذاشت. هر نانوذره با اندازه‌ای حدود 100 نانومتر می‌تواند به طور مؤثری به 200-150 مولکول آنتی‌بادی متصل شود و در نهایت بیش از 300 جایگاه فعال (دو جایگاه برای هر ملکول آنتی‌‌ژن) ایجاد نماید. پوشاندن نانوذرات با بیوملکول‌ها باعث ایجاد اتصالات چندتایی بین نانوذرات و سلول‌های هدف می‌شود، بنابراین نانوذرات فعال شده نسبت به بیوملکول‌های آزاد دارای تمایل بیشتری برای اتصال هستند. نانوذرات مغناطیسی بطور گسترده‌ای در تشخیص بیماری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، باتوجه به اینکه بیماری‌ها در سطح سلولی و مولکولی می‌توانند تشخیص داده شوند. بنابراین خیلی از بیماری‌ها را می‌توان در مراحل ابتدائی تشخیص داد و این مورد بویژه در مورد بیماری‌های کشنده نظیر سرطان‌ها، حائز اهمیت است در اوخر دهه‌ی1970 محققان پیشنهاد استفــاده از حامل‌های مغناطیسی برای هدایت دارو به سمت هدف مورد نـظر در درون بدن را ارائه دادنداستفاده پزشکی از پودرهای مغناطیسی به دوران یونان باستان و روم برمیگردد، ولی به شکل اصولی و تحقیقاتی از سال ١٩٧٠ در علوم بیولوژی و پزشکی استفاده شد وپیش بینی می شود این ذرات در آینده نقش چشمگیری در رفع احتیاجات حیطه سلامت بشریت خواهند داشت. نانو ذرات مغناطیسی با تکیه بر فناوری نانو محدوده گسترده ای از کاربردهای تشخیصی و درمانی در بیماری هایی از جمله سرطان،بیماری های قلبی و عصبی را تسهیل کرده اند.  نانوذرات مغناطیسی به فراوانی در تحویل هدفمند عوامل درمانی استفاده می شود وبر اساس هدف یابی دارویی مغناطیسی (MDT[2]) که شامل تمایل قوی بین لیگاند و گیرنده می باشدیا ازطریق جذب مغناطیسی بافت خاص عمل می کنند. نانو ذرات مغناطیسی به سبب امکان کنترل از راه دورعوامل درمانی در انتقال ذرات به بافت مورد نظر بسیار قابل توجه هستند، وبه همین سبب آنها را حامل های هدفمند مغناطیسی می نامند(MTC [3]).

کلمات کلیدی : سورفکتنت کاتیونی ، نانوشیت زئولیت ZSM-5 ، شیمی سنجی، طیف بینی مادون قرمز، طیف سنجی CNMR 13

فصل اول

مروری بر منابع

1-1-نانو مواد

هنگامی كه گروهی از اتم ها تجمع كرده و چند خوشه نانو متری را تشكیل دهند‍، زمینه تشكیل ذرات نانو فراهم شده و از هم پیوستن چند خوشه نانو متری ذرات نانو تشكیل می گردند. مقیاس نانو به هر ماده ای با اندازه مشخص گفته شده، كه در علم نانو و فناوری نانو استفاده می شود. چشم غیر مسلح قادر به دیدن اجسام نانو متری نمی باشد؛ بنابراین  به فناوری خاصی برای مشاهده این اجسام نیاز است. پیشوند نانو در اصل كلمه ای یونانی است. معادل لاتین این كلمه دوارف است كه به معنی كوتوله و كوتاه قد است. قطر تار موی انسان تقریبا  75000نانو متر است، اگر 10 اتم هیدروژن به دنبال هم قرار گیرند،برابر یك نانو متر می شود.در طول سال های 1996تا 1998موسسه بین المللی تحقیقات فناوری2 حمایت از مطالعات و تحقیقات گسترده ای را در باره نانو ذرات و مواد نانو ساختار و نانو دستگاه ها به عهده گرفت. نتایج این تحقیقات و مطالعات نشان داد  كه پیشرفت در سه زمینه علمی و تكنولوژی، نانو را به زمینه تحقیقاتی منسجمی تبدیل كرده است این سه زمینه عبارتند از:

1- روش های سنتز جدید و پیشرفته كه امكان كنترل اندازه و دستكاری واحدهای ساختاری نانومتری را ایجاد می كند.

2- ابزار شناسایی جدید و پیشرفته كه امكان مطالعه در مقیاس نانو را ایجاد می كند.

3- بررسی و درك ارتباط بین نانو ساختارها و خواص آن ها و چگونگی مدیریت برآن.

نانو بلورها و كلاسترها(نقاط كوانتومی)      قطرnm  10-1                       فلزات، نیمه هادی ها، مواد مغناطیسی

نانو ذرات دیگر                                       قطر nm 100-1                                      اكسیدهای سرامیكی

نانو سیم ها                                             قطر nm   10-5/0                                     اكسیدها،سولفیدها،نیتریدها

نانو لوله ها                                             قطرnm  100-1                                كربن،كالكوژنیدهای لایه ای

فلزات

نانو پروس های های جامد                      قطر منفذ nm10-5/0                        زئولیت ها، فسفات ها و غیره

آرایه های دو بعدی (از نانو ذرات)          µm   2 – nm2                           فلزات،نیمه هادی ها،مواد مغناطیسی

سطح ها و فیلم های نازك                    ضخامت  nm1000 -1                      تعداد زیادی از مواد

1-1: اصول شیمی سبز

با پیشرفت علوم وگذر از دهه های صنعتی شدن در غرب بشر رفته رفته متوجه زیان های وارده بر محیط زیست شد و با وضع قوانین سختگیرانه سعی کرد منابع موجود خود راحفظ کند و از آلودگی محیط زیست جلوگیری به عمل آورد. شیمی سبز که در اوایل دهه 90 معرفی شد شامل فرایندهای شیمیایی وفناوریهایی است که به حفظ محیط زیست و بهبود کیفیت زندگی کمک میکند. شیمی سبز را با نامهای متفاوتی مانند شیمی دوستدار محیط زیست ،شیمی پاک ،اقتصاد اتمی نیز میخوانند]1[.عبارت شیمی سبز که توسط (IUPAC) پذیرفته شده به این صورت تعریف میشود: اختراع ، طراحی و بکارگیری فرآورده های شیمیایی فرایندهایی که تولید  و مصرف مواد خطرناک را کاهش میدهد ویا حذف میکند]2[. اصول شیمی سبز]3[ معنای تازه ای از اصطلاح محیط زیست بهتر را در اختیار شیمیدان ها قرار داد .دوازده اصل شیمی سبز که توسط پائول آناستاس(P.Anastas)و جان وارنر (J.Warner) نوشته شد همه موارد از جمله طراحی سنتز موثرتر ، استفاده از مواد کم خطرتر و بکارگیری منابع تجدیدپذیر را شامل میشود.

1-جلوگیری از تولید زباله بهتر از نابود کردن آن پس از تشکیل میباشد.

2-روشهای سنتزی باید به گونه ای باشد که در طی فرآیند تبدیل مواداولیه به محصول های نهایی حداکثر باشد.

3-روش های سنتزی قابل اجراء مواد ی که سمیت کمتری دارند و یا هیچ سمیتی برای سلامتی بشر و محیط زیست ندارند بکار رود و یا تولید شود.

4-محصولهای شیمیایی باید به گونه ای طراحی شوند که اثر عوامل کاهش دهنده ی سمیت در آنها تغییر نکند (محصول پایدار باشد.)

5-بکارگیری مواد کمکی (حلالها ، مواد جداکننده…) تا حد امکان ضرورتی نداشته باشد و در صورت استفاده بی ضرر باشد.

6-انرژی مورد نیاز ازنظر اقتصادی و زیست محیطی باید در پایین ترین سطح ممکن قرار بگیرد. بطوریکه روش های سنتزی در دما و فشار محیط قابل انجام باشد.

7-مواد اولیه از منابع تجدید پذیر باشد.

8-از مشتق سازی غیر ضروری (گروه حجیم ، محافظت کردن / محافظت زدایی) تاحد امکان جلوگیری شود.

9-واکنشگرهای کاتالیزوری (که تا حد ممکن انتخابی عمل کنند) نسبت به واکنشگرهای استوکیومتری ارجح می باشند.

10-محصولهای شیمیایی باید به گونه ای طراحی شوند که پس از مصرف در محیط زیست باقی نمانند و به ترکیب های تجزیه پذیر بی ضرر تبدیل شوند .

11-روشهای تجزیه باید پیشرفت بیشتری پیدا کنند، تا در دنبال کردن فرآیند زمان دقیق را ارائه و تشکیل مواد مضر را پیش از تولید، کنترل کنند.

12-مواد مورد نیاز در یک فرآیند شیمیایی و روش ساخت این مواد باید به گونه ای انتخاب شود که میزان پدیده های تصادفی مانند تولید گاز، انفجار و آتش سوزی به حداقل برسد.

2-1- ضرورت و اهمیت تحقیق

ازآنجائیکه کشور ایران در تقسیم بندیهای اقلیمی در منطقه نیمه خشک وخشک قرار دارد، تغییرات میزان بارش تاثیر بسزایی بر کشاورزی ،اقتصاد وبه طور کلی سایر مسائل کشور دارد.شناخت منابع رطوبتی برای مطالعه بارش های کشور بسیار حائز اهمیت است.در مبحث کشاورزی ،در صورت آگاهی از منابع آبی در فصل کاشت پیش رو،می توان در زمینه سرمایه گذاری در بخش های مختلف وحتی نوع کشت بهینه تصمیم گیری نمود. بدیهی است که در صورت پیش بینی کمبود آب می توان از اتلاف بخش قابل توجهی از سرمایه گذاری ها جلوگیری کرد. می توان با پیش بینی سال های تر وخشک برنامه ای جهت بهینه کردن استفاده تلفیقی از منابع آب زیرزمینی ومنابع آب سطحی برای مصارف کشاورزی ارائه نمود.

میانگین بارندگی درکشورایران 250 میلی متر در سال تخمین زده می شود که در مقایسه با میانگین بارش 860 میلی متردر سال برای کره زمین ، جزء مناطق با اقلیم نسبتا خشک می باشد. از طرفی با توجه به ناهمواری های متعدد و توپوگرافی متنوع کشور وعوارض جغرافیایی ، توزیع بارندگی در کشور بسیار متفاوت بوده و میانگین بارندگی در شهرهای ایران از 1940 میلی متر در سال در بندر انزلی تا 62 میلی متر در سال در زابل متغیر می باشد. معیارهای پر آبی یا کم آبی دریک کشور، منابع آب تجدید شونده است. سرانه آب تجدید شونده در دنیا برای هر نفر 7400 متر مکعب می باشد. متخصصان هیدرولوژی مرز کم آبی یک کشور را1000 متر مکعب برای هر نفر ذکر

 کرده اند که در ایران میانگین آب تجدید شونده 1500 متر مکعب در سال برای هر نفر تخمین زده می شود.

عرضه وتقاضا به عنوان دو رکن اساسی در برنامه ریزی ومدیریت منابع آب شناخته می شوند. در برنامه ریزی بلند مدت می توان نیازهای کشاورزی ، صنعت وشرب را به عنوان تقاضا در نظر گرفت. با وجود عدم قطعیت های ناشی از عوامل اجتماعی ، اقتصادی وسیاسی در زمینه تقاضا، با در نظر گرفتن درصد قابل قبولی از خطا می توان برآوردی مناسب از نیازهای آبی آینده بدست آورد. ولی در زمینه عرضه ، رویکرد به طور کلی متفاوت است. آب های زیرزمینی وآب های سطحی دو منبع اصلی عرضه آب می باشند. برخلاف آب های سطحی ، حجم آب های زیرزمینی قابل تخمین می باشد ولی منابع آب زیرزمینی با وجود در دسترس بودن محدود هستند وتجدید آنها معمولا مستلزم گذشت زمانی نسبتا طولانی می باشد.محدودیت استفاده از آب های زیرزمینی توسط آبهای سطحی که ناشی از بارش می باشند برطرف می شود. در صورتی که بتوان پیش بینی مناسبی از حجم آب سطحی قابل استحصال در زمان آینده داشت، علاوه براینکه مساله عرضه در زمینه برنامه ریزی حل می شود می توان نیازهای آتی را نیز بهینه نمود. در مبحث کشاورزی ، در صورت آگاهی از منابع آبی در فصل کاشت پیش رو، می توان در زمینه سرمایه گذاری در بخش های مختلف وحتی نوع کشت بهینه تصمیم گیری نمود.بدیهی است که در صورت پیش بینی کمبود آب می توان از اتلاف بخش قابل توجهی از سرمایه گذاری ها جلوگیری کرد. می توان با پیش بینی کمبود آب می توان از اتلاف بخش قابل از سرمایه گذاری ها جلوگیری کرد. می توان با پیش بینی سال های تر وخشک برنامه ای جهت بهینه کردن استفاده تلفیقی از منابع آب زیرزمینی ومنابع آب سطحی برای مصارف کشاورزی ارائه نمود. با توجه به ملاحظات زیست محیطی ، معمولا به جای مقدارآلودگی ، غلظت آلاینده های آب های سطحی مطرح می باشد. بنابراین با ثابت فرض کردن مقادیر آلودگی ، با تغییر حجم آب سطحی ، درصد آلودگی تغییر می کند.                

با توجه به ملاحظات زیست محیطی ، معمولا به جای مقدار آلودگی ، غلظت آلاینده های آب های سطحی مطرح می باشد. بنابراین با ثابت فرض کردن مقادیر آلودگی ، با تغییر حجم آب سطحی ، درصد آلودگی تغییر می کند.