نانوفوتونيک[1] جبهه هيجان انگيز جديدي از فناوري‌نانوست که اذهان افراد زيادي را در سراسر جهان به خود مشغول کرده است و به برهم‌کنش‌هاي نور و ماده در ابعاد نانومتري مربوط ميشود. نانوفوتونيک با افزودن ابعاد جديدي به علوم و فناوري‌نانو، چالش‌هايي براي تحقيقات بنيادي و فرصت‌هايي براي فناوري‌هاي جديد پديد آورده است. گرايش به علوم نانو، در واقع به حقيقت پيوستن ادعاي معروف فاينمن[2] است که مي‌گويد: "فضاي زيادي آن پايين وجود دارد" (فاينمن 1961). او به اين نکته اشاره مي‌کند که اگر طول يک ميکرومتر (يک ميليونيوم متر) را به قطعات نانومتري آن تقسيم کنيم، ميشود تصور کرد كه چه بخش‌ها و فضاهاي فراواني قابل دستکاري خواهد شد. ما در عصر جنون نانو[3] زندگي مي‌کنيم. هر چيزي که به نانو مربوط شود هيجان انگيز و ارزنده تلقي ميشود. بسياري از کشورها برنامه ملي پيشگامي فناوري‌نانو را آغاز کرده‌اند يک گزارش مفصل در مورد برنامه ملي پيشگامي فناوري‌نانوي ايالات متحده توسط شوراي تحقيقات ملي[4] (NRC 2002) منتشر شده است. در عين اين که فناوري‌نانو نمي‌تواند ادعا کند که براي هر مشکلي راه حل بهتري را فراهم مي‌کند، اما نانوفوتونيک، فرصت‌هاي جديد و هيجان‌انگيزي خلق مي‌کند و فناوري‌هاي نويني را توانا مي‌سازد. نکته کليدي اين است که نانوفوتونيک به برهم‌کنش‌هاي نور و ماده در ابعادي بسيار کوچکتر از طول موج خود نور مي‌پردازد. نانوفوتونيک در يک نگاهنانوفوتونيک همان گونه که در شکل آورده شده است، از لحاظ مفهومي به سه بخش قابل تقسيم است. يک رويکرد براي در دست گرفتن برهم‌کنش‌هاي بين نور و ماده در قطع نانومتري، محدود کردن نور در ابعاد نانومتري است به صورتي که بسيار کوچکتر از طول موج نور باشد. رويکرد دوم محدود کردن ماده به ابعاد نانوئي است که به وسيله آن برهم‌کنش‌ها در ابعاد نانومتري محدود ميشوند. اين رويکرد به حوزه نانومواد مربوط ميشود. آخرين رويکرد محدود کردن فرآيندهاي نوري[5] است که در آن ما به يكي از حوزه‌هاي نانوشيمي يا "تغيير فاز به وسيله نور"[6] وارد مي‌شويم. |
|
|
|
اين رويکرد روش‌هايي را براي نانوساخت[7] ساختارهاي فوتونيکي و واحدهاي کارکردي فراهم مي‌کند. حال نگاهي به محدود ساختن نانومقياس تشعشع‌ها خواهيم انداخت. چند راه وجود دارد که ميتوان به وسيله آنها نور را به ابعاد نانومقياس محدود کرد. يکي از آنها پراکنش نوري ميدان- نزديک است كه به عنوان مثال ميتوان از متمرکز کردن نور توسط يک فيبر نوري باريک و با پوشش فلزي به جايي که در آن نور از يک نقطه و در فضايي به مراتب کوچکتر از طول موج نور ساطع ميشود، نام برد. محدود ساختن نانومقياس ماده به منظور ساختن نانومواد براي فوتونيک شامل راه‌هاي متفاوتي از محدود سازي ابعاد ماده براي توليد نانوساختارهاست. به طور مثال ميتوان از نانوذراتي استفاده کرد که خواص الکترونيکي و فوتونيکي منحصر به فرد داشته باشند. دانستن اين نکته خشنودکننده است که نانوذرات هم اکنون نيز براي کاربردهاي متفاوتي از نانوفوتونيک مانند جذب اشعه ماوراء بنفش در کرم‌ها و محلول‌هاي ضد آفتاب استفاده ميشوند. نانوذرات را ميتوان هم از مواد آلي و هم از مواد غير آلي ساخت. نانومرها[8] ]در برابر پليمرها[ که چندپارهايي[9] (تعداد اندکي از واحدهاي تکراري) با اندازه‌هاي نانومتري هستند و ساختارهاي نانومري دارند، مشابه‌هاي آلي نانوذرات هستند. در مقابل، پليمرها ساختارهاي زنجيري شکل و طولاني هستند که از تعداد زيادي واحد تکراري تشکيل شده‌اند که خواص نوري وابسته به اندازه نانومرها را دارند. نانوذرات فلزي پاسخ‌هاي نوري منحصر به فردي بروز مي‌دهند و کمک‌هاي فراواني به حوزه الکترومغناطيس ميکنند و قلمرو پلاسمونيک را شکل مي‌دهند. نانوذراتي وجود دارند که با رويکرد ساخت بالا به پايين روي دو فوتون (ذره بنيادي نور) جذب شده مادون قرمز، فوتوني را در ناحيۀ ماوراء بنفش پديد مي‌آورند و بالعکس، نانوذراتي وجود دارند که برنده‌هاي کوانتومي[10] خوانده شده و با رويکرد پايين به بالا، يک فوتون جذب شده ماوراء بنفش را به دو فوتون در ناحيۀ مرئي تبديل مي‌کند. يک حوزه جذاب از نانومواد، فوتونيک شفاف[11] است که به وجود آورنده ساختارهاي عايق متناوب با تکرار واحد، با نظمي شبيه نظم طول موج نور است. نانوکامپوزيت‌ها شامل نانوناحيه‌‌هايي[12] از دو يا چند ماده غير مشابه ميشوند که در اندازه و قطع نانومتري، طبقات جداگانه‌اي داشته باشند. هر نانوناحيه‌اي در نانوکامپوزيت‌ها مي‌تواند صاحب خاصيت نوري خاص باشد. جريان انرژي نوري که به وسيله انتقال انرژي (ارتباطات نوري) بين ناحيه‌ها خلق ميشود، قابل کنترل نيز هست. فرآيند نوري نانومقياس مي‌تواند در نانوليتوگرافي براي ساخت نانوساختارهايي به کار گرفته شود که براي به وجود آوردن حسگرها و محرك‌هاي نانومقياس استفاده ميشوند. حافظه نوري نانومقياس نيز يکي از مباحث و موضوعات هيجان انگيز نانوساخت است. يکي از خواص مهم نانوساخت اين است که فرآيند نوري مي‌تواند به منطقه‌هاي نانوئي دقيق محدود شود و به اين وسيله ساختارهايي با هندسه و آرايش فرادقيق ساخته شود. تحصيل، آموزش و تحقيقات چند رشتهايما در جهاني پيچيده زندگي مي‌کنيم که در آن پيشرفت‌هاي انقلابي در زمينه ارتباطات، حافظه‌ي کامپيوتري و پردازش داده، رخ داده است و اين پيشرفت‌ها هر روز نيز ادامه مي‌يابد. امروزه، نياز فزاينده به فناوري‌هاي نويني وجود دارد که بيماري‌ها را به سرعت و در مراحل اوليه و پيش از اوليه تشخيص دهند. از آنجا که ما به اين پيشرفت‌ها خو گرفته‌ايم، انتظاراتمان به سوي فناوري‌هاي فشرده، با بهره‌وري بالا از انرژي، با پاسخ دهي سريع و ايمني براي محيط زيست مي‌رود. فناوري با محوريت فوتونيک که با فناوري‌نانو نيز ترکيب شده است مي‌تواند به بسياري از اين چالش‌ها پاسخ بدهد. در حوزه پزشکي، مدل‌هاي جديدي از تشخيص دهنده‌هاي فوتونيکي بيماري که غيرمخرب و بر اساس كاركردهاي مولکولي باشند، مي‌توانند بيماري‌هايي چون سرطان را در مراحل اوليه، پيش از اوليه و آغازين شناسايي کنند و بدين وسيله جهشي را در اين حوزه پديد بياورند. نانوپزشکي که با شيوه‌هاي فعال و هدايت شده توسط نور آميخته شده است، به پيشرفت شيوه‌هاي درماني مولکول به مولکول که حداقل اثرات جانبي را دارند، خواهد انجاميد. دهه‌هاي اخير شاهد جهش‌هاي فناورانه‌اي بوده‌اند که به وسيله اختلاط رشته‌هاي متفاوت به وجود آمده‌اند و اين روند با رسيدن هزاره سوم بسيار تسريع شده است. نانوفوتونيک، در صورتي که با ديدي وسيع به آن نگريسته شود، فرصت‌هايي را براي تعامل و آميختگي بين رشته‌هايي از علوم، فناوري و پزشکي فراهم مي‌کند که به طور سنتي از يکديگر جدا هستند. همان‌گونه که بيشتر در مورد آن صحبت خواهد شد، نانوفوتونيک حوزه‌اي ميان رشته‌اي است که فيزيک، شيمي، علوم کاربردي و مهندسي، زيست شناسي و فناوري زيست پزشکي را چون بسياري ديگر رشته‌ها در بر خواهد گرفت. يک جبهه چند رشته‌اي کامل در فراسوي نگاه وسيع به نانوفوتونيک در حال محقق شدن است. اين چالش‌ها نياز به افزايشي قابل توجه در تعداد محققان دانشي و کارکنان آموزش ديده در اين حوزه پديد مي‌آورندكه مي‌تواند با فراهم آوردن آموزش چند رشته‌اي براي نسل آينده محققان، چه در مقطع ليسانس و چه بعد از آن در سراسر جهان، برطرف شود. شناخته شدن اين نياز در سراسر جهان را ميتوان از تعداد فزاينده سمينارها و کارگاه‌هاي در اين‌باره و دوره‌هاي تحصيلي در مقاطع مختلف که مؤسسات و دانشگاه‌هاي مختلف برگزار ميکنند و يا در انديشه برگزاري آنها هستند، دريافت. فرصت‌هايي براي تحقيقات پايه‌اي و توسعه‌اي فناوري‌هاي نويننانوفوتونيک، تعدادي از حوزه‌هاي محوري فناوري‌هاي جدي چون ليزرها، فوتونيک، فوتوولتائيک[13]، فناوري‌نانو و زيست فناوري را به هم پيوند مي‌دهد. هر کدام از اين فناوري‌ها يا هم اکنون چيزي بيش از سالي 100 ميليارد دلار سود حاصل از فروش داشته و يا اين پتانسيل را به راحتي در خود دارند. نانوفوتونيک همچنين فرصت‌هاي متعددي براي تحقيقات بين رشته‌اي به وجود آورده است. در انتها به معرفي طبقه‌بندي شده اين فرصت‌ها براي محققان و دانشمندان هر رشته پرداخته‌ايم: شيميدانها و مهندسين شيمي- کانال‌هاي متشکل و ترکيب شده جديد از مواد مختلف و پردازش نانومواد - انواع جديدي از نانوساختارهاي مولکولي و مجموعه‌هاي فوق مولکولي با شيوه‌هاي مختلف طراحي نانويي - نانوساختارهاي متناوب و غيرمتناوب خودسامان براي دست يافتن به کارکردهاي چندگانه و تأثيرات آنها بر يکديگر - شيمي براي اصلاح سطوح براي توليد الگوهاي نانويي - سنتز تک – محفظه‌اي[14] که احتياج به مخزن واكنش تغييرکننده نداشته باشد. - توليد مقياس پذير براي ساخت اقتصادي و توليد انبوه فيزيک‌دان‌ها- الکتروديناميک کوانتومي براي مطالعه پديده‌هاي نوري نوين در نانوحفره‌ها[15] - منشاء تک فوتوني براي پردازش اطلاعات کوانتومي - پردازش نوري غير خطي نانومقياس - کنترل نانويي برهم‌کنش‌هاي بين الکترون‌ها، فوتون‌ها و فونون‌ها[16] - مطالعات طيف‌بندي و زمان‌بندي شده مجموعه نيروهاي محرک با ميدان ديد نانوئي مهندسين تجهيزات- نانوليتوگرافي براي نانوساخت افشاننده‌هاي نور، تشخيص دهنده‌ها ومتصل کننده‌ها - پيوند دادن نانومقياس افشاننده‌هاي نور، مجاري انتقال، پردازنده‌هاي علائم و تشخيص دهنده‌هايي که با مولدهاي نيرو ترکيب شده‌اند. - مدارهاي شفاف فوتونيک ودستگاه‌هاي مبتني بر ميکرو حفره‌ها - ترکيب فوتونيک شفاف و پلاسمونيک براي تسهيل کارکردهاي نوري خطي و غيرخطي مختلف - نقاط کوانتومي و ليزرهاي سيم‌هاي کوانتومي - صفحات دريافت انرژي خورشيدي سبک، پهن‌باند و فرا بهره‌ور که به صورت طومار قابل جمع‌آوري و بسته‌بندي باشند. - برنده‌هاي کوانتومي براي جدا کردن فوتون‌هاي ماوراءبنفش مکنده به دو فوتون قابل ديدن براي استفاده در نسل جديد نور افشان‌ها و لامپ‌هاي فلورسنت زيست‌شناسان- دستکاري ژنتيکي مواد زيستي براي فوتونيک‌ها - راهكارهاي زيست شناختي براي هدايت توسعه مواد فوتونيکي مهم از زيست[17] - کلوييدهاي زيستي و الگوهاي زيستي براي ساختارهاي فوتونيکي - سنتز باکتريايي مواد فوتونيکي محققان زيست پزشکي- نانو ميله‌هاي نوري جديد براي عيب‌يابي و تشخيص دهنده‌هاي بيماري - درمان‌هاي هدف‌گيري شده با استفاده از نانوپزشکي هدايت شده توسط نور - مدل‌هاي جديد براي روشهاي درماني فعال شده توسط نور با استفاده از نانوذرات - فناوري‌نانو براي زيست حسگرها |
كنيك‌هاي بهينه‌سازي، چه در فضاي رياضيات پيوسته و چه در فضاي رياضيات گسسته، اثري عميقي بر طراحي مهندسي گذاشته است. در اين مقاله اثر تكنيك‌هاي بهينه‌سازي در مقابله با فضاي نانومحاسبات را در پنج حوزه: |
|
| پنج حوزة فوق را در شكل زير ملاحظه مي‌كنيد: |
|
|
|
|
مفاهيم فيزيكي PES: |
|
|
|
علامت مشتق دوم براي افتراق ميان MAX و MIN بكار مي‌رود. Min روي PES داراي مقدار
ويژه مثبت است (فركانس‌هاي ارتعاشي). MRX يا نقاط زيني (نقاط زيني نقاطي هستند كه
داراي جهت MAX از يك جهت و داراي جهت Min از سوي ديگر هستند) داراي يك يا بيشتر
فركانس منفي ميباشد. مفاهيم فوق را در شكل زير ملاحظه مي‌كنيد. |
|
|
الگوريتم‌هاي كمينه‌سازي انرژي: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
** تاريخچه
جستجو براي نقاط Min را با روش سريعترين نزول تركيب مي‌كند و با استفاده از
اطلاعات مشتق دوم خط سير كمينه‌يابي را هدايت مي‌كند. ** روشهائي كه در اين گروه قرار مي‌گيرند عبارتند از: Fletcher-Reeves"" ،""Davidon- Fletcher- Powell و روش "Polak-Ribiere" |
|
|
|
|
* "Hessian" تعيين كننده خط سير كمينه‌يابي است. * پيچيدگي محاسبات افزايش مي‌يابد اما اين روش سريع‌تر و قابل اعتمادتر است به ويژه در همسايگي نقاط كميته. *"Quasi-Newton" و ""Newton-Raphson و بلوك قطري "Newton-Raphson" |
| روشهائي براي موقعيت‌يابي بيشترين كمينه: |
|
| مفاهيم حداقل سطح انرژي |
|
| مدلسازي انتقال فاز (حالت گذار): |
|
"حالت گذار" يك حالت ايستا است كه در آن مشتق دوم انرژي نسبت به مختصات واكنش منفي
است در حالي كه مشتق دوم در ساير جهات مثبت است. به بيان ديگر، "نقطة حالت گذار"
بالاترين نقطه، درسرتاسر مسير حداقل انرژي، ميان واكنش‌پذيرهاو محصولات، است. از
نقطه نظر محاسبات فركانسي، بر روي يك نقطة گذار فقط و فقط يك فركانس منفي وجود
دارد. مدلسازي "انتقال فاز" مشكل است. زيرا: |
|
|
* اطلاعات اندكي نسبت به هندسة (TS) داريم. اغلب آنچه داريم مبتني بر محاسبات است.
حدس زدن هندسة TS مشكل تر از حدس زدن هندسه يك ساختار ايستا است. |
| روشهاي مختلط: بهترين روشهاي محاسباتي موجود |
|
| روش حدس زدن هندسة TS: |
|
| در شكل زير روشهاي LST و QST را به صورت شماتيك نشان داده‌ايم. |
|
|
| تطبيق‌پذيري يك TS حدسي: |
|
ابزارهاي نانوئي و طراحي مدار:
كوچك سازي پيوسته ابزارهاي الكترونيك ، رشد سريع ميكروالكترونيك و قابليت‌هاي آن را در دهه‌هاي گذشته موجب شده است. اما همان گونه كه ابعاد ابزارها كاهش مي‌يابد و به قلمرو نانو وارد ميشود، اين پيشرفت نمي‌تواند ادامه پيدا كند،محدوديت‌هاي فيزيكي ابزارهاي سيليكوني كوچك سازي‌هاي آتي را مشكل كرده است.
براي چيره شدن بر اين محدوديت‌ها، روشهاي نويني براي طراحي ابزارها و مدارها بر مبناي پديدار شناسي‌هاي جديد جهان فيزيك، نظير ابزارهاي تك الكتروني، بلوك‌هاي سازه‌اي نانوتيوبي و مدارهاي اسپينترونيكي، تحت پژوهش قرار گرفته‌اند. محاسبات بر پاية معماري ابزارهاي نانوئي و پروسه‌هاي طراحي دو چالش جديد را مطرح كردهاند كه مي‌بايستي با آنها مواجه شد.
خطاي سيگنال و خطاي سازه[1]
الف) خطاي سازه: در يك سيستم نانوئي، تعداد كافي ابزارها و تعاملات آنها، شبيه خطاهاي حين ساخت و پس از ساخت آنها است. انتظار مي‌رود كه معماري نانوئي اين ابزارها و خطاي تعاملات در محدودة ده درصد يا بيشتر، بسته به عدم قطعيت ذاتي در خودآرائي، فايق آيد.
اندازة كوچك ابزارهاي نانوئي، همچنين مانع آزمايش پذيري يك سيگنال و اصلاح راهبرد است. ناهنجاري‌ها يا تلرانس خطاهاي سازه‌اي يك پيامد اصلي در طراحي مدارهاي نانوئي است.
ب) خطاي سيگنال: از آنجائي كه ابزارهاي نانوئي در قيد محدوديت‌هاي حرارتي هستند يعني KbT.(Kb ثابت بولتزمان و T عبارت است از دما). تفاوت انرژي ميان حالت‌هاي منطقي قابل مقايسه با اختلالات دمائي احاطه كننده است، انعكاس عدم قطعيت ذاتي در ترموديناميك، اختلال حرارتي، باعث شكست عمليات عملگر ميشود. اين خطاي سيگنال‌ها ذاتاً ديناميك هستند و به عنوان خطاهاي نرم[2] نيز ناميده ميشوند.
در اين مقاله راه‌حل‌هاي حاضر براي اين مسائل را بررسي مي‌كنيم:
1- طراحي "مبتني بر احتمال[3] براي محاسبات نانوابزار
اين راهكار مبدعانه توسط R.Iris""" ."J براي محاسبات ابزارهاي نانوئي و مدارهاي نانوئي ابداع شد. اين راهكار مبتني بر ميدان تصادفي ماركوف[4] بود كه به اختصار MRF خوانده ميشود.
روش MRF براي طراحي هر مدار منطقي دلخواه مي‌تواند سودمند باشد.
در مدارهاي مبتني بر MRF، عملگرهاي منطقي به وسيلة بيشينه‌سازي احتمال پيكربندي حالت در شبكه‌هاي منطقي به هدف مي‌رسند. اين طراحي مبتني بر احتمال مي‌تواند به صورت ديناميكي با عملكرد در حوزة خطاهاي سيگنالي و ساختاري تطبيق‌پذير شود.
2- نگاشت[5]، اثابت اساس مدارهاي مبتني بر احتمال به درون حوزة ابزارهاي CMOS:
هدف، بكارگيري فيزيكي سازه‌هاي مبتني بر احتمال است. محققان آزمايشگاه ""Binary در دانشگاه ""Brown، مدارهاي آزمايشي مبتني بر تئوري احتمال را براي مؤلفه‌هاي ساده منطقي نظير گيت[6]هاي معكوس‌ساز و NAND، و مدارهاي ساده‌اي مشتمل بر 5 تا 10 مؤلفة منطقي ابتدائي نظير: مدار ارزيابي ISCAS C 17 را شبيه‌سازي كردهاند.
نتايج نشان داد كه مدارهاي مبتني بر احتمال، مي‌توانند در ولتاژهاي تغذيه خيلي پايين (2V.0-1.0) و دستيابي به ايمني خطاي بهتر نسبت به طراحي سيليكوني متعارف، عمل كنند. گروه " عملي سازي اين الگوريتم را بر عهده داشتند.
3- مدلسازي "حامل انتقال[7]طرح پيشنهادي:
كارهاي پژوهشي مهمي براي انجام دادن باقي مانده است تا بر چالش‌هاي تكنيك فايق آييم. نظير: مدلسازي رفتار حامل انتقال بر مبناي تئوري انتقال كوانتوم است. در اين راستا، محاسبة تابع گرين سطحي Interface براي اين ابزارهاي مرتبط، مورد نياز است.
با استفاده از مدل« نزديكترين همسايگي اوربيتال‌هاي ، با پيوند محكم» رسانائي كوانتومي سيستم‌هاي متنوع نانوئي، شامل نانوتيوبهاي كربني با اتصال «شاخة دوگانه»[8]، تحت اثر انتهاي آويزان نانوتيوبهاي كربني و گيت‌هاي منطقي اسپينترونيكي مدلسازي ميشود.
4- عملي كردن طرح با استفاده از بلوك‌هاي ساختاري نانوئي:
پژوهش‌هاي اولية متمركز شده بر روي ايجاد تكنيك‌هائي به منظور ساخت نانوتيوبهاي كربني و تبديل به سيم كردن و قرار دادن آنها در ابزارهاي بيولوژيك، نظير قابليت‌هاي خودشناسائيDNA،بود. آزمايش‌هاي اوليه نشان داد كه چگونه ما مي‌توانيم رشته‌هاي DNA را بر روي لاية ميكا تركيب كنيم. همچنين مي‌توانيم رسانائي DNA را به گونة يك فلز يا سيم نيم‌رسانا، انتخاب كنيم.
روش MRF مدارهاي منطقي دلخواه و عملگرهاي منطقي با حداكثر سازي احتمال پيكربندي يك حالت در شبكة منطقي دلخواه استوار است. حداكثر سازي احتمال حالت، معادل با حداقل سازي يك فرم از انرژي كه بستگي به نودهاي همسايه در شبكه دارد، است. يكباركه ما يك كتابخانه از مؤلفه‌هاي منطقي اساسي را ايجاد كرديم، مي‌توانيم آنها را به منظور ساخت معماري دلخواه با يكديگر تركيب كنيم. روي هم رفته، طراحي مبتني بر احتمال مي‌تواند به صورت ديناميكي جهت كنترل خطاهاي سيگنال و خطاهاي سازه، منطبق شود.
در مقالة آتي، به تفصيل اين روش را بررسي خواهيم كرد.
منبع:سایت نانو
در مقاله قبلي با كليات الگوريتم MRFآشنا شديم.
در اين بخش نگاشت الگوريتم MRF جهت ارزيابي خطاي سازه هاي الكترونيك مولكولي را بررسي مي كنيم.
نگاشت شبکة تصادفي مارکوف بر روي نانوتيوبهاي کربني، نيازمد 3 المان اساسي عملي است:
§ اتصالات وزن داده شده[1]
§ جمع انرژي گروه[2]
§ حداکثر سازي احتمال[3]
محاسبات الگوريتم فوق مبتني بر بهينه سازي به روش شبكه عصبي است:
اتصالات وزن داده شده، با استفاده از مسيرهاي متعدد نانوتيوبي، به ازاء همان ورودي ولتاژ وزن داده شده عملي، برآورده ميشود. علامت وزن، بسته به ولتاژ اعمالي مثبت يا منفي اعمال شده به اتصال، تعيين ميشود.
يک مزيت کافي در استفاده از اين مسير وزني اضافي اين است که در جاهائي که تعداد زيادي اتصالات بد وجود دارد، مي‌توانيم با بالاترين احتمال درست، آنها را پيش گوئي کنيم.
محاسبات MRF:
در اين بخش الگوريتم MRF را از ديدگاه محاسباتي بررسي مي‌کنيم.
الگوريتمي عمومي براي يافتن "Site label "هائيکه احتمال شبکه را حداکثر کنند به نام "Belief Propagation" (BP) ناميده ميشوند و مهيا ساز يک ابزار مؤثر براي حل مسائل استنتاجي از طريق گسترش احتمالات[4] مرزي از طريق شبکه عصبي است. در اين جا سه تابع اساسي احتمال وجود دارد:
احتمال گره
احتمال مرزی
احتمالات مشروط [5]
ايدة اصلي Belief Propagation عبارت است از:
احتمال Lable هاي پايه در يک حالت پايه در شبکه عصبي که از طريق محاسبة احتمال نهائي (جمع زدن) بر روي احتمال براي گره های پايه، داده شده فقط براي احتمالات "Site Label" هاي همسايگي Markov ، Ni که در شکل زيرنشان داده شده است (مثلاً node ها را ميتوان به عنوان مدارهاي نانومقياس input/output در نظر گرفت)
ميتوان نود ها را در شبکه طبقه‌بندي کرد به گونه‌اي که هر يک داراي برچسب احتمال معين باشند و نيز آنهائي که مقادير آنها از طريق الگوريتم تکثير، تعيين ميشود.
نودهاي نوع اول از طريق يک ورودي محاسباتي که مقدار آن مقيد به setup مسأله است.
چنین نودهائي به نام «نودهاي قابل مشاهده[6]» ناميده ميشوند و ساير نودها به نام «نودهاي پنهان[7] » ناميده ميشوند. ما به احتمالاتي استناد مي‌کنيم که به صورت تقريبي محاسبه ميشوند و به عنوان "belief" مي‌ناميم و belief در نود i ام را بصورت b(xi) نشان مي‌دهيم.
در روش MRF، نودهاي قابل مشاهده موسوم به yi ، ثابت فرض ميشود و xi
معرف نودهاي پنهان است. 
همان 
است. سپس فرض ميشود
که تعدادي وابستگي آماري بين xi و yi در هر موقعيت i ام وجود دارد و به عنوان «احتمال گره» ناميده ميشود.
تابع فوق اغلب به عنوان evidence براي xi خوانده ميشود.
براي آنکه قادر باشيم استناد کنيم به هر چيزي در حوزة معماري کامپيوتر نانوئي، مجبوريم تعدادي ساختار پايه xi داشته باشیم. ساختار xi فرض شده را رمز مي كنيم با اين فرض که متغير xi مي‌بايستي تا جائيکه مقدور است با متغيرهاي همسايگي xj ، سازگار باشد که آن را با تابع سازگاري نشان مي‌دهيم که مي بايستي فقط موقعيت‌هاي همسايه را به هم مي‌پيوندد. سپس تابع توزيع احتمال گره به ازاء متغيرهاي مجهول xi که به صورت زير است را اعمال مي كنيم:
که در آن z يک ثابت نرمال شده است.
اين احتمالات محاسباتي، قابليت تکثير در گام بعدي محاسبات را برآورد مي‌کند. اثبات شده است که اين الگوريتم تکثير به حداکثر احتمال اختصاص يافته به کل شبکه همگرا خواهد شد و در آن هيچ چرخه [8] اي بيروني وجود ندارد. اين الگوريم افزايشي،« پيچيدگي محاسباتي» در مرتبه تعداد نودهاي موجود در شبکه با يک جملة وزن دهنده به نسبت ابعاد همسايگي دارد. در مورد چرخه ها، احتمالات مي‌بايستي به صورت ترکيبي [9] بر روي حوزه شبکه انجام شود که متضمن راه حلهاي مبتني بر حداکثر احتمال است. يعني اينکه، مي‌بايستي شبکه به بلوکهاي شبکه‌اي loop – free که هر يک به صورت دروني داراي loop هستند، تقسيم شود. به هر حال، نشان داده شده است که الگوريتم تکثير Belief، به حداکثر حالت احتمال در حضور Loopها، همگرا خواهد شد.
منبع:سایت نانو
| هيدروکراکينگ هيدروكراكينگ يك فرآيند دو مرحله‌اي شامل كراكينگ كاتاليستي و هيدروژنا‌سيون ميباشد كه در طي اين مراحل خوراك ورودي، در حضور هيدروژن به محصولات با ارزش افزودة بيشتر شكسته ميشود. اين فرايند در فشار و دماي بالا و با حضور كاتاليست و هيدروژن انجام ميشود. |
 |
|
شكل 2-8) نمايه واكنش هيدروكراكينگ |
| هيدروكراكينگ براي خوراك‌هايي مورد استفاده واقع ميشود كه فرايندهاي كراكينگ كاتاليستي يا تبديل كاتاليستي در مورد آنها به سختي انجام مي‌گيرد مانند نفت خامي كه غني از آروماتيك‌هاي پلي‌سيكليك بوده يا حاوي غلظتهاي بالاي تركيبات گوگرد و نيتروژن كه مسموم‌كننده كاتاليستها هستند، مي¬باشد. |
 |
|
شكل 2-8) نمايه واكنش هيدروكراكينگ |
|
کاربردهاي فناوري نانو در هيدروکراکينگ در فرايند هيدروكراكينگ از كاتاليستهاي آلومينا، زئوليت‌ها، پلاتين استفاده ميشود و در كاتاليستهاي مربوطه اگر از نانومواد كاتاليستي استفاده شود نتيجه بهتري حاصل ميشود. انواع جديدي از كاتاليستهاي هيدروكراكينگ با استفاده از فلزات فعال پلاتين ، نيكل، موليبدن و كبالت مي‌توانند توليد شوند كه در اين زمينه ميتوان به اختراع كاتاليست پلاتين- نيكل- موليبدن روي پايه زئوليتي اشاره كرد.[1] آقاي فوكوياما و همكاران نيز از نانوكاتاليستها براي هيدروکراکينگ نفتهاي سنگين و تصحيح فرايند روش هيدروکراکينگ نفتهاي سنگين استفاده كردهاند.[2] همچنين آقاي ماستون و دين كاتاليستهاي آهن نانوفاز جديدي را براي كاربردهاي هيدروكراكينگ توسعه دادهاند. در اين كاتاليستها پيوند كربن – كربن توسط اكسيدهاي آهن هيدراته نانو كريستالي ، شكسته ميشوند و در طي آزمايشاتي كه همراه با مدل پيشنهادي انجام ميشود، فعاليت و انتخاب كنندگي بالايي از خود نشان مي‌دهند. منبع:سایت نانو |
| علوم و فناوري نانو در دهه 1980 ميلادي توسط فيزيكدان آمريكايي "ريچارد
فاينمن" تشريح شد. در اين فناوري خواص فيزيكي مواد نانوابعاد در حوزه‌اي
بين اثرات کوانتومي و خواص توده قرار مي‌گيرد. علوم نانو محصول مطالعات
دانشمندان در رشته‌هاي مختلف بوده است كه با راه‌حل‌ها و روشهاي گوناگون و
خلاقانه به صورت علوم بين رشته‌اي درآمده است . محققان و سياستگذاران سراسر
جهان انتظار دارند كه علوم نانو موجب تغييرات وسيعي در نحوه زندگي شود. در اين نوشتار، ضمن بررسي فرايند كراكينگ / شكست كاتاليستي، انواع كاتاليستهاي مورد استفاده در اين فرايند و تاثير فناوري نانو بر آنها كه منجر به ايجاد نسل جديدي از كاتاليستها با نام "نانوكاتاليستها" شده، بررسي گرديده است. مقدمه پالايش نفت با تقطير جزء به جزء نفت‌خام به گروه‌هاي هيدروكربني شروع شده و خواص محصولات مستقيماً متناسب با نحوه انجام فرآيند تبديل نفت ميباشد. فرآيندها و عمليات پالايش نفت به پنج بخش اصلي تقسيم ميشود : الف) تفكيك (تقطير) ب) فرآيندهاي تبديلي كه اندازه و ساختار ملكولي هيدروكربنها را تغيير مي‌دهند اين فرآيندها شامل: ب-1) تجزيه (تقسيم) ب-2) همسان‌سازي(تركيب) ب-3) جايگزيني(نوآرائي) ميباشند. ج) فرآيندهاي عمل‌آوري د) تنظيم و اختلاط فرايند تجزيه كه از زير شاخه‌هاي فرايندهاي تبديلي محسوب ميشود، شامل هيدروكراكينگ، شكست كاتاليستي و شكست گرمايي ميشود. پليمريزاسيون پليمريزاسيون در صنايع پتروشيمي، فرآيند تبديل گازهاي اولفين سبك، شامل اتيلن، پروپيلن و بوتيلن به هيدروكربن‌هاي با وزن مولكولي بيشتر و عدد اكتان بالاتر ميباشد كه به‌عنوان مخلوطهاي سوختي مرغوب استفاده ميشود. درطي اين فرآيند 2 يا بيشتر مولكول‌هاي اولفين يكسان، تشكيل يك مولكول با عناصر يكسان و خواص يكسان به‌عنوان مولكول‌هاي جديد مي‌دهند. پليمريزاسيون مي‌تواند بطور گرمايي يا در حضور كاتاليست دردماي پايين‌تر اتفاق بيفتد. |
|
|
|
شكل 1 ) نمايه فرايند پليمريزاسيون |
| ايزومريزاسيون در ايزومريزاسيون بوتان نرمال، پنتان نرمال و هگزان نرمال، به ايزوپارافين‌هاي مربوطه با عدد اكتان بالاتر تبديل ميشود. پارافين‌هاي با زنجيره مستقيم، به زنجيره‌هاي شاخه‌دار با همان تعداد اتم ولي با ساختار هندسي متفاوت تبديل ميشوند. محصولات ايزو بوتان اين واحد، خوراك واحد آلكيلاسيون بوده و ايزوپنتان و ايزوهگزان براي مخلوط گازوئيل بكار مي‌رود. کاربردهاي فناوري نانو در پليمريزاسيون و ايزومريزاسيون پليمريزاسيون به‌علت اينكه پليمر شدن در اينجا به معني واقعي كلمه اتفاق نمي‌افتد بلكه واكنش تا تشكيل ديمرها و تري‌مرها خاتمه مي‌يابد لذا بايد طراحي فضاي واكنش به گونه‌اي صورت گيرد كه با تشكيل ديمرها واكنش ادامه نيابد لذا ميتوان از مواد نانومتخلخلي استفاده كرد كه ابعاد كانال‌هاي آن براي تحقق اين امر مناسب باشند.اين مواد نانوتخلخل را ميتوان نانوراكتور ناميد. در اين زمينه به کار "سانو" و "اومي" اشاره کرد که از سيليكا مزوپروس به عنوان نانو راكتور براي پليمريزاسيون اولفينها استفاده کرده‌اند.[1] |
| در اين روش ماده متخلخل MCM-41 حاوي فلز توسط روش Post – Synthesis با
تركيبات ارگانومتاليك يا آلكوكسيد آماده شد و به عنوان نانوراكتور براي
فرآيند پليمريزاسيون اولفين بكار رفت. در حقيقت MCM-41 حاوي فلز به عنوان
كوكاتاليست غيرهمگن به كار مي‌رود. [1] ايزومريزاسيون به دليل اينكه كانال‌هاي مواد متخلخل مكان مناسبي براي انجام واكنش‌هاي شيميايي ميباشد ميتوان از نانومواد متخلخل براي اين منظور استفاده كرد. اين كار در واكنش مشابه پتروشيمي مورد بررسي قرار گرفته است. به عنوان مثال بائر و همكاران زئوليتهاي نانوساختار HZSM – 5 را در ايزومريزاسيون زايلن بررسي كردهاند.[2] هيدروژن در جداكننده‌هاي با فشار عملياتي بالا (Separator)، جدا شده و كلريد هيدروژن در ستون جداساز (Stripper) حذف ميشود. حاصل آن که مخلوط بوتان بدست آمده مي باشد وارد تفكيك‌كننده (Fractionator) شده، در آن بوتان از ايزوبوتان جدا ميشود.در كليه موارد بالا ميتوان از نانومواد متخلخل كربني براي جداسازي گازها استفاده كرد. در فرايند ايزومريزاسيون ميتوان به كاربردن متنوعي از مواد نانوساختار اشاره كرد همچنان كه در طي تحقيقاتي براي پيدا كردن نانومواد مناسب براي فرايند ايزومريزاسيون آنتونلي و همكاران از ميکروقفس هاي توخالي زيرکونيا با استفاده از پايه هاي مالسيلي کروي استفاده كردهاند.[3] منبع:نانو |
مروزه با گسترش عرصة فناوري‌نانو، به ويژه در زمينة نانومواد، کاربردهاي
زيادي براي اين مواد در علوم پزشکي مشاهده شده است، لذا توجه محققان علوم
پزشکي را به خود جلب کرده است. با توجه به اهميت نانومواد در علوم پزشکي در
زير بعضي از خواص و کاربردهاي آن به صورت اجمالي بررسي ميشود.
1) نانومواد خام و ساختاري
از نانوذرات و نانوبلورها ميتوان به عنوان مواد زيست‌سازگار در پوشش‌دهي، كپسوله‌کردن داروها، جايگزيني استخوان، پروتزها و در کاشتنيها استفاده كرد. مواد نانوساختاري نيز شكل ديگري از نانومواد خام ميباشند كه عملكرد ويژه‌اي دارند. نمونه‌هاي اين مواد نانوساختاري، نقاط كوانتومي و درخت‌سان‌ها ميباشند که در زير انواعي از آنها ذكر شده است.
1,1 ) نانوپليمرها
نانوپليمرها در پزشكي به شکل‌هاي زير به كار برده ميشوند:
- داروي پليمري: از يك پليمر فعال زيستي تشکيل شده است.
- پيوند دارو با پليمر: از يك پليمر محلول در آب، يك عامل مناسب و يك اتصالگر كه عوامل، پليمر و هدف را به هم متصل مي‌كند تشكيل شده است.
- پيوند پروتئين با پليمر: بلوك پليمري شامل يك بخش آب‌دوست و يك بخش آب‌گريز است كه در محلول‌هاي آبي مايسل‌هايي را به وجود مي‌آورد تا در سيستم رهايش دارويي به كار روند.
- درخت‌سان‌ها: مولكول‌هايي با قطر 10-1 نانومتر هستند. اين مولكول‌ها مي‌توانند از منافذ عروق و بافت‌هاي كوچك در ابعاد نانو عبور نمايند. درخت‌سان‌ها در سيستم رهايش دارو به كار گرفته ميشوند و ظرفيت گيرايش در حدود %25 (w/w) را دارا ميباشند.
- ليپوزوم‌ها: ليپوزوم‌ها وزيكول‌هاي دولايه فسفوليپيدي كوچكي ميباشند كه پايه آنها مولكول‌هاي آمفي‌فيليك فسفوليپيدي است كه ليپوزوم‌ها را در محيط‌هاي آبي شكل مي‌دهند. انتهاي آب‌دوست آنها به طرف آب و طرف آب‌گريز آن به سمت مركز لايه ميباشد. ليپوزوم‌ها مي‌توانند تك‌لايه‌هايي به اندازه 50-20 نانومتر و دو لايه‌هايي با اندازه‌اي بالاتر از10 ميكرومتر به وجود آورند.
- نانوذرات ليپيدي جامد: ليپيدهاي جامد در داروهاي آب‌گريز به كار برده ميشوند كه داراي قطري مابين 50 نانومتر تا 1 ميكرومتر ميباشند. ليپيدهاي فيزيولوژيكي همانند گليسريدها توانايي زيستي و تخريب‌پذيري مناسب‌تري را دارند.
2.1 ) فولرين‌ها و نانولوله‌ها
اين مواد شگفت‌انگيز شكل جديدي از مولكول‌هاي كربن هستند و با ايجاد تغييراتي در آنها، به صورت زيست‌سازگار با بدن بوده (به صورت غيرمحلول) و كاربردهاي مفيدي در پزشكي دارند. بيشترين كاربرد اين مواد در پزشكي در ساخت ماهيچه‌هاي مصنوعي، سيستم رهايش دارو و همچنين در ساخت عروق (با ويژگي انحراف گلبول‌ها و جلوگيري از رسوب آنها) است. اين تركيبات به وسيله گروه‌هاي شيميايي فعال ميشوند و براي اتصالات آنزيمي گيرنده‌ها، مناسب ميباشند.
3,1 ) نانوذرات غيرآلي
- نانوذرات فسفات كلسيم
نانوذرات فسفات كلسيم از نمك‌هاي غير آلي تهيه شده و قطري ما بين 400 تا 600 نانومتر دارند. اين ساختارها مي‌توانند % 20 w/w پروتئين‌ها را پر نمايند. همچنين از اين ذرات ميتوان به صورت ويزيكول در واكنش‌ها استفاده كرد. بهترين ويژگي اين مواد سايش آنهاست و بر عكس آلومينيوم كه در بعضي مواقع سيستم ايمني بدن را تحريك مي‌كند اين نانوذرات خطرشان حدود 100 برابر كمتر از آلومينيوم است.
- نانوذرات طلا
نانوذرات طلا به علت داشتن خاصيت چسبندگي، كانديداي مناسبي براي سيستم رهايش دارويي ميباشند.
كاربرد ديگر اين نانومواد كامپوزيت‌هايي است كه داراي هسته‌هاي دي‌الكتريك و پوسته‌هاي طلا ميباشند. البته اين کامپوزيت‌ها هم براي سيستم رهايش دارويي مناسب ميباشند. با انتخاب نسبت درستي از اندازه هسته به پوسته، ويژگي‌هاي متفاوتي حاصل مي‌گردد. نانوذرات در بهترين نسبت اندازه، ماكزيمم جذب را در نزديكي مادون قرمز نشان مي‌دهند. با تابش طول موج مناسب به اين نانوذرات در بافت‌هاي عمقي پوست، اين نانومواد گرم شده و نوع جديدي از رهايش دارويي ايجاد ميشود.
- نانوذرات سيليكاتي
نانوذرات سيليكاتي در سيستم رهايش DNA استفاده ميشوند. كلوئيدهاي SiO2 كه سطوح آنها با آمينوالكيل‌سيلان‌ها به طور كووالانسي اصلاح شده‌اند، كمپلكس‌هاي مناسبي با DNA ايجاد مي‌نمايد، كه نسبت به ديگر حامل‌هاي DNA اين نانوذرات سميت كمتري را از خود نشان دادهاند.
4,1) مواد كامپوزيتي و نانواليافهاي آلي
نانواليافهاي آلي همانند نانواليافهاي كربني (pcu15-c ) چسبندگي سلولي بالايي در استئوبلاست‌ها نشان مي‌دهند. نانواليافهاي كربني در کاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي هم كاربرد دارند. آنها وزن كمي دارند و همانند بلور‌هاي Hap گسستگي بالايي از خود نشان مي‌دهند.
2) پوشش‌دهي نانومواد در كاشت بافت‌ها
فناوري‌نانو در توليد مجدد بافت‌هاي بدن، بافت‌هاي جايگزين و به عنوان ترميم كننده، ايده جديدي ارائه نموده است .
مواد کاشتني در بدن ممكن است باعث واكنش‌زايي سيستم ايمني بدن، خوردگي، اتصال نامناسب و كوتاه مدت گردد. اين عوارض سبب ميشوند كه مجدداً (به علت شل شدگي) روي کاشتنيها عمل جراحي صورت گيرد. بنابر اين براي اتصال، چسبندگي بيشتر و توليد يك منطقه سطحي به حجمي بزرگ‌تر و نيز رفع اين عوارض از روش‌هايي مانند پوشش کاشتنيها استفاده ميشود. اين روش در کاشتني‌هاي بافت‌هاي سخت مانند استخوان و دندان كاربرد بيشتري دارد.
1,2) پوشش کاشتنيها
رويكرد جديد، براي افزايش طول عمر کاشتني، پوشش دادن نانوساختاري سطوح کاشتنيها ميباشد.
مواد زيست‌سازگار نانوساختار نسبت به نوع ماكروساختار آن عملكرد زيستي بهتري نشان مي‌دهند. ِنانومواد استفاده شده در پوشش‌دهي کاشتنيها مي‌توانند باعث افزايش زيست‌سازگاري، چسبندگي، ماندگاري و دوام آنها شوند. کاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي چندين سالي است كه به كار برده ميشوند. (از ذرات هيدروكسي آپاتيت (HAP ) براي پوشش کاشتني‌هاي hip كه در سال 1960 ميلادي مطرح شده و امروزه كاربرد زيادي در بدن دارد استفاده ميشود. اين ذرات علاوه بر پوشش کاشتني hip، در پيچ‌هاي فلزي نيز استفاده ميشوند).
نانومواد ديگري همانند پلي وينيل الكل (PVA) (به عنوان پوشش‌دهنده و کاشتني در رگ‌هاي خوني در قلب مصنوعي، پيوند عروق و كاتترها و به عنوان پخش‌كنندة لخته‌هاي خوني و جلوگيري از شكل‌گيري آنها)، كيتوسان و دكستران در نانوذرات مغناطيسي (براي جداسازي يا از بين بردن سلول‌هاي سرطاني و ميكروارگانيسم‌ها) امروزه مورد تحقيق و مطالعه زيادي قرار گرفته‌اند
الف) پوشش نانوساختار الماس
آلياژهاي Co-Cr براي اتصالات و پلي‌اتيلن‌ها با وزن مولكولي بالا در حفرات به كار مي‌روند، اما مشكل اينجاست كه آلياژهاي كبالت زيست‌سازگاري مناسبي با بدن ندارند و پلي‌اتيلن با وزن مولكولي بالا نيز به علت سايش بالا و شل‌شدن براي بدن مناسب نمي‌باشد. تيتانيوم به عنوان يك جايگزين داراي زيست‌سازگاري مناسبي است اما باز هم مشكلات زيستي را به همراه دارد. يكي از راه‌هاي مناسب براي بالا رفتن كيفيت كاشتني‌هاي تيتانيوم، پوشش‌دهي آنها با الماس ميباشد. اين پوشش مي‌تواند با روشCVD بر روي کاشتنيها رسوب داده شود. لذا با انتخاب مناسب شرايط فرآيند (تركيب گاز) ميتوان لايه‌هاي نانو بلوري الماس، با ضخامت حدود 15 نانومتر ايجاد كرد. اين لايه‌ها زيست‌سازگاري بالايي داشته و براي اشخاصي كه حساسيت دارند مناسب ميباشند.
ب) هيدروكسي آپاتيت (HAP)
حدود %70 وزن استخوان را HAP تشكيل مي‌دهد اين ماده به علت كنش فيزيكي قوي، براي کاشتنيها مناسب است.HAP براي پوشش دادن کاشتني‌هاي تيتانيومي و كبالت كروم به كار مي‌رود تا باعث تسريع استخوان‌سازي شود. اين به علت شباهت ساختاري اين ذرات به استخوان و چسبندگي سلولي آنها ميباشد. نانوذرات HAP با ويژگي‌هاي مشابه به استخوان بدن، يك ماده مناسب براي پوشش ميباشند. کاشتني‌هاي استخواني ساخته شده با مواد متداول شكننده‌اند، اين به علت اندازة بزرگ دانه‌ها و همچنين آلودگي‌هاي سطوح مولكولي و ناخالصي‌هاست، كه در نهايت باعث پس‌زدگي کاشتني از بدن مي‌گردد.
با بهره‌گيري از نانوذرات HAP درصد خلوص مولكولي افزايش و ويژگي‌هاي مكانيكي نيز بهبود مي‌يابد. كاشتني‌هايي با چنين پوششي، كمترين شكستگي و پس‌زدگي را خواهند داشت. همچنين براي چسبيدن به استخوان و موارد ديگر نيز از نانوذرات HAP براي پوشش استفاده ميشود.
پ) پوشش‌دهي استنت‌ها (Stents)
بيماران قلبي دچار عارضة بسته شدن عروق كرونر از استنتهاي خيلي كوچك فلزي به عنوان داربست استفاده مي‌نمايند. اين استنت‌ها از نوع فولاد ميباشند كه در عروق جاي مي‌گيرند تا جريان خون به قلب را برقرار كنند و عروق را باز نگه دارند. حدود 30 تا 50 درصد استنت‌ها به علت رشد بافت همبند در محل زخم، باعث بسته شدن يا به خطر افتادن جان بيمار به دليل بسته شدن عروق خوني مي‌گردند. ميتوان با استفاده از نانوذرات تيتانيوم و ديگر مواد به عنوان ماده زيست‌سازگار و پوشش‌دهنده، احتمال ترمبوز را كم نمود.
ت) نانوذرات به عنوان سطوح آنتي باكتري
نانوذراتي همانند TiO2 به دليل ويژگي فوتوكاتاليستي اثر ضد باكتري دارند. همچنين به دليل اندازة كوچك‌شان شفافند. كاربرد ضد ميكروبي نانوذرات تيتانيوم بر روي سطح مي‌تواند براي تجزيه مواد مضر محيطي استفاده گردد.
3) داربست‌هاي توليد مجدد بافت
مواد نانوساختاري باعث بهبود ويژگي‌هاي داربست بافتي ميشوند. همچنين باعث بهبود عملكرد در زمينه‌هايي همانند تاثيرگذاري در ساختار داربست (مانند درصد تخلخل، اندازه سوراخ ها و استحكام‌دهي مكانيكي داربست) ميشوند.
4)نانومواد در مواد كاشتني ساختاري
استخوان يك ماده با استحكام بالاست. استخوان بيشتر از ساير ساختارهاي بدن داراي اتصالات دروني با سوراخ‌هاي مرتبط ميباشد كه اجازه عبور مواد مغذي و سيالات بدن را از خود مي‌دهد. در مواردي همانند شكست استخوان، عيوب استخواني و غيره، استخوان‌ها نيازمند جبران يا جايگزيني ميباشند.
مواد نانوساختاري همانند نانوسراميك‌هاي با استحكام بالا ( هيدروكسي آپاتيتHAP و آپاتيت فسفات كلسيم CPA) به عنوان پركننده و شكل‌دهندة عيوب استخواني، در ترميم و جبران بافت استخواني به كار برده ميشوند. لازم به ذكر است كه استخوان به طور طبيعي داراي 70 % وزني HAP ميباشد. نانوسراميك‌ها علاوه بر جايگزيني با استخوان‌هاي سبك و استحكام كم، براي استخوان‌هاي وزين و مستحكم نيز به كار مي‌روند. از نانوسراميك‌هاي CPA، با اندازه ذراتي در حدود 50 نانومتر نيز با اتصال به همديگر به عنوان رابط بافت استخواني استفاده ميشود.
5) نانومواد قابل جذب در بدن
پليمرهاي قابل جذب در بدن در كاربردهاي پزشكي مانند توليد نخ‌هاي بخيه كاربرد وسيعي دارند. كاشتني‌هاي نانوساختاري قابل جذب در بدن به گونه‌اي سنتز ميشوند تا با سرعتي مناسب تجزيه گردند و به سمت التيام بافت هدايت شوند. البته اين نانوذرات در سيستم رهايش دارويي هم كاربرد فراواني دارند.
6) مواد هوشمند (Intelligent materials)
اين مواد با تغييرات محيطي همانند دما, فشار, و ... تغيير مي‌يابند. اين تغيير بر اثر فرايندهاي فيزيكي و شيميايي حاصل از مكانيزم‌هاي تاثيرگذار بدن ميباشد. به عنوان نمونه، ماهيچه‌هاي مصنوعي با استفاده از پليمرهاي هوشمند در برابر ويژگي‌هاي مكانيكي خم و راست مي‌گردند و انعطاف پذير ميباشند. نمونه ديگري از اين مواد، هيدروژل‌ها هستند كه در سيستم رهايش دارويي بكار مي‌روند و در محيط شيميايي بدن قابل حل ميباشند.
1) نانومواد خام و ساختاري
از نانوذرات و نانوبلورها ميتوان به عنوان مواد زيست‌سازگار در پوشش‌دهي، كپسوله‌کردن داروها، جايگزيني استخوان، پروتزها و در کاشتنيها استفاده كرد. مواد نانوساختاري نيز شكل ديگري از نانومواد خام ميباشند كه عملكرد ويژه‌اي دارند. نمونه‌هاي اين مواد نانوساختاري، نقاط كوانتومي و درخت‌سان‌ها ميباشند که در زير انواعي از آنها ذكر شده است.
1,1 ) نانوپليمرها
نانوپليمرها در پزشكي به شکل‌هاي زير به كار برده ميشوند:
- داروي پليمري: از يك پليمر فعال زيستي تشکيل شده است.
- پيوند دارو با پليمر: از يك پليمر محلول در آب، يك عامل مناسب و يك اتصالگر كه عوامل، پليمر و هدف را به هم متصل مي‌كند تشكيل شده است.
- پيوند پروتئين با پليمر: بلوك پليمري شامل يك بخش آب‌دوست و يك بخش آب‌گريز است كه در محلول‌هاي آبي مايسل‌هايي را به وجود مي‌آورد تا در سيستم رهايش دارويي به كار روند.
- درخت‌سان‌ها: مولكول‌هايي با قطر 10-1 نانومتر هستند. اين مولكول‌ها مي‌توانند از منافذ عروق و بافت‌هاي كوچك در ابعاد نانو عبور نمايند. درخت‌سان‌ها در سيستم رهايش دارو به كار گرفته ميشوند و ظرفيت گيرايش در حدود %25 (w/w) را دارا ميباشند.
- ليپوزوم‌ها: ليپوزوم‌ها وزيكول‌هاي دولايه فسفوليپيدي كوچكي ميباشند كه پايه آنها مولكول‌هاي آمفي‌فيليك فسفوليپيدي است كه ليپوزوم‌ها را در محيط‌هاي آبي شكل مي‌دهند. انتهاي آب‌دوست آنها به طرف آب و طرف آب‌گريز آن به سمت مركز لايه ميباشد. ليپوزوم‌ها مي‌توانند تك‌لايه‌هايي به اندازه 50-20 نانومتر و دو لايه‌هايي با اندازه‌اي بالاتر از10 ميكرومتر به وجود آورند.
- نانوذرات ليپيدي جامد: ليپيدهاي جامد در داروهاي آب‌گريز به كار برده ميشوند كه داراي قطري مابين 50 نانومتر تا 1 ميكرومتر ميباشند. ليپيدهاي فيزيولوژيكي همانند گليسريدها توانايي زيستي و تخريب‌پذيري مناسب‌تري را دارند.
2.1 ) فولرين‌ها و نانولوله‌ها
اين مواد شگفت‌انگيز شكل جديدي از مولكول‌هاي كربن هستند و با ايجاد تغييراتي در آنها، به صورت زيست‌سازگار با بدن بوده (به صورت غيرمحلول) و كاربردهاي مفيدي در پزشكي دارند. بيشترين كاربرد اين مواد در پزشكي در ساخت ماهيچه‌هاي مصنوعي، سيستم رهايش دارو و همچنين در ساخت عروق (با ويژگي انحراف گلبول‌ها و جلوگيري از رسوب آنها) است. اين تركيبات به وسيله گروه‌هاي شيميايي فعال ميشوند و براي اتصالات آنزيمي گيرنده‌ها، مناسب ميباشند.
3,1 ) نانوذرات غيرآلي
- نانوذرات فسفات كلسيم
نانوذرات فسفات كلسيم از نمك‌هاي غير آلي تهيه شده و قطري ما بين 400 تا 600 نانومتر دارند. اين ساختارها مي‌توانند % 20 w/w پروتئين‌ها را پر نمايند. همچنين از اين ذرات ميتوان به صورت ويزيكول در واكنش‌ها استفاده كرد. بهترين ويژگي اين مواد سايش آنهاست و بر عكس آلومينيوم كه در بعضي مواقع سيستم ايمني بدن را تحريك مي‌كند اين نانوذرات خطرشان حدود 100 برابر كمتر از آلومينيوم است.
- نانوذرات طلا
نانوذرات طلا به علت داشتن خاصيت چسبندگي، كانديداي مناسبي براي سيستم رهايش دارويي ميباشند.
كاربرد ديگر اين نانومواد كامپوزيت‌هايي است كه داراي هسته‌هاي دي‌الكتريك و پوسته‌هاي طلا ميباشند. البته اين کامپوزيت‌ها هم براي سيستم رهايش دارويي مناسب ميباشند. با انتخاب نسبت درستي از اندازه هسته به پوسته، ويژگي‌هاي متفاوتي حاصل مي‌گردد. نانوذرات در بهترين نسبت اندازه، ماكزيمم جذب را در نزديكي مادون قرمز نشان مي‌دهند. با تابش طول موج مناسب به اين نانوذرات در بافت‌هاي عمقي پوست، اين نانومواد گرم شده و نوع جديدي از رهايش دارويي ايجاد ميشود.
- نانوذرات سيليكاتي
نانوذرات سيليكاتي در سيستم رهايش DNA استفاده ميشوند. كلوئيدهاي SiO2 كه سطوح آنها با آمينوالكيل‌سيلان‌ها به طور كووالانسي اصلاح شده‌اند، كمپلكس‌هاي مناسبي با DNA ايجاد مي‌نمايد، كه نسبت به ديگر حامل‌هاي DNA اين نانوذرات سميت كمتري را از خود نشان دادهاند.
4,1) مواد كامپوزيتي و نانواليافهاي آلي
نانواليافهاي آلي همانند نانواليافهاي كربني (pcu15-c ) چسبندگي سلولي بالايي در استئوبلاست‌ها نشان مي‌دهند. نانواليافهاي كربني در کاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي هم كاربرد دارند. آنها وزن كمي دارند و همانند بلور‌هاي Hap گسستگي بالايي از خود نشان مي‌دهند.
2) پوشش‌دهي نانومواد در كاشت بافت‌ها
فناوري‌نانو در توليد مجدد بافت‌هاي بدن، بافت‌هاي جايگزين و به عنوان ترميم كننده، ايده جديدي ارائه نموده است .
مواد کاشتني در بدن ممكن است باعث واكنش‌زايي سيستم ايمني بدن، خوردگي، اتصال نامناسب و كوتاه مدت گردد. اين عوارض سبب ميشوند كه مجدداً (به علت شل شدگي) روي کاشتنيها عمل جراحي صورت گيرد. بنابر اين براي اتصال، چسبندگي بيشتر و توليد يك منطقه سطحي به حجمي بزرگ‌تر و نيز رفع اين عوارض از روش‌هايي مانند پوشش کاشتنيها استفاده ميشود. اين روش در کاشتني‌هاي بافت‌هاي سخت مانند استخوان و دندان كاربرد بيشتري دارد.
1,2) پوشش کاشتنيها
رويكرد جديد، براي افزايش طول عمر کاشتني، پوشش دادن نانوساختاري سطوح کاشتنيها ميباشد.
مواد زيست‌سازگار نانوساختار نسبت به نوع ماكروساختار آن عملكرد زيستي بهتري نشان مي‌دهند. ِنانومواد استفاده شده در پوشش‌دهي کاشتنيها مي‌توانند باعث افزايش زيست‌سازگاري، چسبندگي، ماندگاري و دوام آنها شوند. کاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي چندين سالي است كه به كار برده ميشوند. (از ذرات هيدروكسي آپاتيت (HAP ) براي پوشش کاشتني‌هاي hip كه در سال 1960 ميلادي مطرح شده و امروزه كاربرد زيادي در بدن دارد استفاده ميشود. اين ذرات علاوه بر پوشش کاشتني hip، در پيچ‌هاي فلزي نيز استفاده ميشوند).
نانومواد ديگري همانند پلي وينيل الكل (PVA) (به عنوان پوشش‌دهنده و کاشتني در رگ‌هاي خوني در قلب مصنوعي، پيوند عروق و كاتترها و به عنوان پخش‌كنندة لخته‌هاي خوني و جلوگيري از شكل‌گيري آنها)، كيتوسان و دكستران در نانوذرات مغناطيسي (براي جداسازي يا از بين بردن سلول‌هاي سرطاني و ميكروارگانيسم‌ها) امروزه مورد تحقيق و مطالعه زيادي قرار گرفته‌اند
الف) پوشش نانوساختار الماس
آلياژهاي Co-Cr براي اتصالات و پلي‌اتيلن‌ها با وزن مولكولي بالا در حفرات به كار مي‌روند، اما مشكل اينجاست كه آلياژهاي كبالت زيست‌سازگاري مناسبي با بدن ندارند و پلي‌اتيلن با وزن مولكولي بالا نيز به علت سايش بالا و شل‌شدن براي بدن مناسب نمي‌باشد. تيتانيوم به عنوان يك جايگزين داراي زيست‌سازگاري مناسبي است اما باز هم مشكلات زيستي را به همراه دارد. يكي از راه‌هاي مناسب براي بالا رفتن كيفيت كاشتني‌هاي تيتانيوم، پوشش‌دهي آنها با الماس ميباشد. اين پوشش مي‌تواند با روشCVD بر روي کاشتنيها رسوب داده شود. لذا با انتخاب مناسب شرايط فرآيند (تركيب گاز) ميتوان لايه‌هاي نانو بلوري الماس، با ضخامت حدود 15 نانومتر ايجاد كرد. اين لايه‌ها زيست‌سازگاري بالايي داشته و براي اشخاصي كه حساسيت دارند مناسب ميباشند.
ب) هيدروكسي آپاتيت (HAP)
حدود %70 وزن استخوان را HAP تشكيل مي‌دهد اين ماده به علت كنش فيزيكي قوي، براي کاشتنيها مناسب است.HAP براي پوشش دادن کاشتني‌هاي تيتانيومي و كبالت كروم به كار مي‌رود تا باعث تسريع استخوان‌سازي شود. اين به علت شباهت ساختاري اين ذرات به استخوان و چسبندگي سلولي آنها ميباشد. نانوذرات HAP با ويژگي‌هاي مشابه به استخوان بدن، يك ماده مناسب براي پوشش ميباشند. کاشتني‌هاي استخواني ساخته شده با مواد متداول شكننده‌اند، اين به علت اندازة بزرگ دانه‌ها و همچنين آلودگي‌هاي سطوح مولكولي و ناخالصي‌هاست، كه در نهايت باعث پس‌زدگي کاشتني از بدن مي‌گردد.
با بهره‌گيري از نانوذرات HAP درصد خلوص مولكولي افزايش و ويژگي‌هاي مكانيكي نيز بهبود مي‌يابد. كاشتني‌هايي با چنين پوششي، كمترين شكستگي و پس‌زدگي را خواهند داشت. همچنين براي چسبيدن به استخوان و موارد ديگر نيز از نانوذرات HAP براي پوشش استفاده ميشود.
پ) پوشش‌دهي استنت‌ها (Stents)
بيماران قلبي دچار عارضة بسته شدن عروق كرونر از استنتهاي خيلي كوچك فلزي به عنوان داربست استفاده مي‌نمايند. اين استنت‌ها از نوع فولاد ميباشند كه در عروق جاي مي‌گيرند تا جريان خون به قلب را برقرار كنند و عروق را باز نگه دارند. حدود 30 تا 50 درصد استنت‌ها به علت رشد بافت همبند در محل زخم، باعث بسته شدن يا به خطر افتادن جان بيمار به دليل بسته شدن عروق خوني مي‌گردند. ميتوان با استفاده از نانوذرات تيتانيوم و ديگر مواد به عنوان ماده زيست‌سازگار و پوشش‌دهنده، احتمال ترمبوز را كم نمود.
ت) نانوذرات به عنوان سطوح آنتي باكتري
نانوذراتي همانند TiO2 به دليل ويژگي فوتوكاتاليستي اثر ضد باكتري دارند. همچنين به دليل اندازة كوچك‌شان شفافند. كاربرد ضد ميكروبي نانوذرات تيتانيوم بر روي سطح مي‌تواند براي تجزيه مواد مضر محيطي استفاده گردد.
3) داربست‌هاي توليد مجدد بافت
مواد نانوساختاري باعث بهبود ويژگي‌هاي داربست بافتي ميشوند. همچنين باعث بهبود عملكرد در زمينه‌هايي همانند تاثيرگذاري در ساختار داربست (مانند درصد تخلخل، اندازه سوراخ ها و استحكام‌دهي مكانيكي داربست) ميشوند.
4)نانومواد در مواد كاشتني ساختاري
استخوان يك ماده با استحكام بالاست. استخوان بيشتر از ساير ساختارهاي بدن داراي اتصالات دروني با سوراخ‌هاي مرتبط ميباشد كه اجازه عبور مواد مغذي و سيالات بدن را از خود مي‌دهد. در مواردي همانند شكست استخوان، عيوب استخواني و غيره، استخوان‌ها نيازمند جبران يا جايگزيني ميباشند.
مواد نانوساختاري همانند نانوسراميك‌هاي با استحكام بالا ( هيدروكسي آپاتيتHAP و آپاتيت فسفات كلسيم CPA) به عنوان پركننده و شكل‌دهندة عيوب استخواني، در ترميم و جبران بافت استخواني به كار برده ميشوند. لازم به ذكر است كه استخوان به طور طبيعي داراي 70 % وزني HAP ميباشد. نانوسراميك‌ها علاوه بر جايگزيني با استخوان‌هاي سبك و استحكام كم، براي استخوان‌هاي وزين و مستحكم نيز به كار مي‌روند. از نانوسراميك‌هاي CPA، با اندازه ذراتي در حدود 50 نانومتر نيز با اتصال به همديگر به عنوان رابط بافت استخواني استفاده ميشود.
5) نانومواد قابل جذب در بدن
پليمرهاي قابل جذب در بدن در كاربردهاي پزشكي مانند توليد نخ‌هاي بخيه كاربرد وسيعي دارند. كاشتني‌هاي نانوساختاري قابل جذب در بدن به گونه‌اي سنتز ميشوند تا با سرعتي مناسب تجزيه گردند و به سمت التيام بافت هدايت شوند. البته اين نانوذرات در سيستم رهايش دارويي هم كاربرد فراواني دارند.
6) مواد هوشمند (Intelligent materials)
اين مواد با تغييرات محيطي همانند دما, فشار, و ... تغيير مي‌يابند. اين تغيير بر اثر فرايندهاي فيزيكي و شيميايي حاصل از مكانيزم‌هاي تاثيرگذار بدن ميباشد. به عنوان نمونه، ماهيچه‌هاي مصنوعي با استفاده از پليمرهاي هوشمند در برابر ويژگي‌هاي مكانيكي خم و راست مي‌گردند و انعطاف پذير ميباشند. نمونه ديگري از اين مواد، هيدروژل‌ها هستند كه در سيستم رهايش دارويي بكار مي‌روند و در محيط شيميايي بدن قابل حل ميباشند.
منبع:سایت نانو
| چكيده علوم نانو محصول مطالعات دانشمندان در رشته هاي مختلف بوده است كه با راه حل‌ها و روشهاي گوناگون و خلاقانه به صورت علوم بين رشته اي درآمده است . محققان و سياستگذاران سراسر جهان انتظار دارند كه علوم نانو موجب تغييرات وسيعي در نحوه زندگي شود. در اين نوشتار، ضمن بررسي فرايند كراكينگ / شكست كاتاليستي، انواع كاتاليستهاي مورد استفاده در اين فرايند و تاثير فناوري نانو بر آنها كه منجر به ايجاد نسل جديدي از كاتاليستها با نام "نانوكاتاليستها" شده، بررسي گرديده است. كليد واژه ها: رفرمينگ، نانومواد متخلخل كربني، مقدمه پالايش نفت با تقطير جزء به جزء نفت‌خام به گروه‌هاي هيدروكربني شروع شده و خواص محصولات مستقيماً متناسب با نحوه انجام فرآيند تبديل نفت ميباشد. فرآيندها و عمليات پالايش نفت به پنج بخش اصلي تقسيم ميشود : الف) تفكيك (تقطير) ب) فرآيندهاي تبديلي كه اندازه و ساختار ملكولي هيدروكربنها را تغيير مي‌دهند اين فرآيندها شامل: ب-1) تجزيه (تقسيم) ب-2) همسان‌سازي(تركيب) ب-3) جايگزيني(نوآرائي) ميباشند. ج) فرآيندهاي عمل‌آوري د) تنظيم و اختلاط فرايند تجزيه كه از زيرشاخه هاي فرايندهاي تبديلي محسوب ميشود، شامل هيدروكراكينگ، شكست كاتاليستي و شكست گرمايي ميشود. 2-4-1) رفرمينگ كاتاليزوري رفرمينگ كاتاليزوري، يك فرآيند مهم مورد استفاده براي تبديل نفتهاي با اكتان پايين در مخلوطهاي گازوئيل با عدد اكتان بالا ميباشد. در طي انجام فرايند رفرمينگ تمام انواع واكنش‌ها مثل كراكينگ، پليمريزاسيون، هيدروژن‌زدايي، ايزومريزاسيون به طور همزمان اتفاق ميافتد. بسته به خواص خوراك نفت (مقدار پارافين، اولفين، نفتالين، موادآروماتيكي در نفت خام) و كاتاليست مورد استفاده، ميتوان رفرميت با غلظت بسيار بالاي تولوئن، بنزين، زايلن و ساير آروماتيك‌هاي مفيد در مخلوط محصول توليد کرد. |
|
|
|
شكل 2-13) نمايه واحد رفورمينگ كاتاليستي |
| هيدورژن به‌عنوان يك محصول فرعي از رفورميت‌ها جدا شده و دوباره به
چرخه توليد باز مي‌گردد. كاربردهاي نانوتكنولوژي در قسمتي از فرايند بايد گاز هيدروژن را از مخلوط گازهاي ديگر جدا كرد كه براي اين منظور ميتوان از نانومواد متخلخل كربني استفاده كرد. ميتوان از نانومواد متخلخل در رفورمينگ کاتاليستي پالايش استفاده کرد. مثلاً در رفورمينگ پتروشيمي ژيمين و همکاران بررسي NMR واكنش متانول به هيدروكربنها (MTH ) با استفاده از زئوليتهاي ميكروساختار و نانوساختار HZSM–5 را انجام دادهاند.[1] تشكيل انواع آلكوكسي سطحي روي HZSM – 5 نانوابعاد و ميكروابعاد پس از پرتودهي به متان و متعاقب آن تبديل به اولفينها توسط روش Solid state NMR In situ بررسي شده است. در مقايسه با HZSM – 5 ميكرو ابعاد ، زئوليت نانو ابعاد تمايل بيشتري براي به دام انداختن گونه هاي مولكولي متانول دارد. همچنين مشخص شد كه حضور موادي كه Carbon – Pool ناميده مي شوند، نه تنها در تبديل متانول به اولفين ها موثر است بلكه موادي پليمري كه به طور ناخواسته توليد ميشوند را به صورت كك روي سطح درميآورد. در زئوليت نانو ساختار تشكيل رسوبهاي كربن دار روي سطح به سختي صورت مي پذيرد. [1] |
| در رابطه با اهداف و چالش‌هاي انستيتوملي سرطان در خصوص رنج مبتلايان
به اين بيماري و مرگ و مير ناشي از آن و به منظور دسترسي به اين اهداف تا
سال 2015، تعدادي از زمينه‌هايي که مي‌تواند سهم عمده‌اي از کاربردهاي
فناوري‌نانو در سرطان داشته باشد، توجه بسياري را به خود جلب نمود. تاکنون تعامل ميان فناوري‌نانو در زمينۀ سرطان و زيست‌شناسي سرطان، تحولي عظيم در روشهاي تشخيص، درمان و پيشگيري از سرطان ايجاد کرده است، که اين دستاوردها آغازي براي رسيدن به کاربردهاي باليني ميباشند. فناوري‌نانو با ارائه ابزارهاي جديد موجب تسريع روند تشخيص سرطان در مراکز درمان سرطان و آزمايشگاه‌هاي تحقيقاتي و نيز درک چگونگي عوامل و فرآيندهاي ايجاد کنندۀ اين بيماري و دلايل پيشرفت آن، گشته است. به گفتۀ Andro von eschenbach، سرپرست انستيتو ملي سرطان، فناوري‌نانو، دانش مربوط به مقياس‌هاي کوچک، در حال جذب بزرگ‌ترين دانشمندان از سراسر دنيا در زمينه‌هاي گوناگون علمي و مهندسي ميباشد و هدف آن معطوف و هماهنگ كردن استعدادها و ذهن آنها بر روي حل مسائل و مشکلاتي است که بر سر راه تحقيقات در مورد تجهيزات درمان باليني وجود دارد. به عقيدۀ وي، نانومواد و نانوابزارها نقشي بي‌نظير و حياتي را در تبديل دانش به پيشرفت‌هاي مفيد باليني در زمينۀ تشخيص و درمان سلول‌هاي سرطاني ايفا ميکنند، كاري که با انجام آن روند تشخيص و درمان و نهايتاَ پيشگيري از سرطان کاملاَ متحول خواهد شد. مثالي که مي‌تواند به منظور درک بيشتر پتانسيل وسيع فناوري‌نانو در زمينۀ تغيير روشهاي تشخيص و درمان سرطان به کار رود استفاده از نانوذرات ميباشد. دکترParas Prasad از گروه شيمي دانشگاه بوفالو و دکتر Raoul kopelman از گروه فيزيک دانشگاه ميشيگان، نانوذرات کروي توليد نمودند که شکلي شبيه به توپ‌هاي تنيس، البته با ابعادي برابر با يک ده‌هزارم يک سر سوزن، دارند. اين نانوذرات به‌طور همزمان قادر به تشخيص تومورهاي سرطاني بسيار ريز و نيز انتقال داروهاي بسيار مؤثر و نابود کنندۀ اين سلول‌ها در يک موجود زنده ميباشند. استفاده از اين نانوذرات به عنوان دارو و براي درمان سلول‌هاي بدخيم سرطاني هيچ‌گونه تأثير سوئي بر سلول‌ها و بافت‌هاي سالم بدن بر جاي نمي‌گذارند. پس از رسيدن اين نانوذرات به تومورها، داروهاي درون آنها به وسيله نوارهاي باريک نور ليزر فعال ميشوند. اين نانوذرات همچنين قادر به مشخص نمودن ميزان تأثير درمان بر سلول‌هاي بدخيم ميباشند. اين ايدۀ بزرگ که تنها با تزريق يک عامل بتوان تشخيص، درمان و گزارش در مورد ميزان اثر بخشي درمان را انجام داد، امري است که فقط با کمک فناوري‌نانو ميسر ميشود. اين يک دانش جديد نيست ولي بهتر است امروزه کار محققاني مانند دکتر kopelman و دکتر Prasad فناوري‌نانو را به يک موضوع داغ در سطح جهاني بدل و موجب افزايش توجهات عمومي و پوشش‌هاي خبري در اين مورد شده است. در اين ميان آنچه که غير عادي به نظر مي‌رسد اينست که چرا اين فناوري اين قدر دير به دست آمد، اما واقعيت امر اين است که شيميدانان، فيزيک‌دانان، مهندسان و زيست‌شناسان، مدت‌ها قبل از اينکه فناوري‌نانو به اين صورت در جهان فراگير شود هر کدام به گونه‌اي با آن سر و کار داشته‌اند.امروزه بسياري از شيميدانان و فيزيک‌دانان اين ادعا را دارند که از روزهاي آخر قرن بيستم، در حال کار در مقياس نانو- محدودۀ طولي100 -1 نانومتر- هستند. هموگلوبين، پروتئيني که وظيفۀ نقل و انتقال اکسيژن در جريان خون را به عهده دارد، داراي قطري برابر 5 نانومتر، 5 بيليونيوم يک متر، ميباشد. بيشتر مولکول‌هاي دارويي کوچکتر از يک نانومتر هستند و اين درحالي است که اتم‌هاي سيليکوني تشکيل دهندۀ يک تراشۀ کامپيوتري، داراي اندازه‌اي در حد يک دهم نانومتر ميباشند. اما کارکردن با اتم‌ها و مولکول‌ها، پروتئين‌ها، DNA و مطالعۀ آنها تنها چيزي نيست که محققان به دنبال آن هستند، بلکه انتظار و تعريف آنها از فناوري‌نانو مي‌تواند همان تعريف ارائه شده از سوي NNI باشد که فناوري‌نانو را زمينه‌اي از علم مي‌داند که شامل موارد زير است: - تحقيق و توسعۀ فناوري در سطوح اتمي، مولکولي يا ماکرو‌مولکولي، در مقياس طولي در حدود 100-1 نانومتر؛ - ساخت و به کارگيري ساختارها و ابزارها و سيستم‌هايي که به علت داشتن ابعاد کوچک يا متوسط خواص بي‌نظيري دارند؛ - توانايي کنترل يا دستکاري در مقياس اتمي. بر اساس اين تعريف، پيدايش فناوري‌نانو به سال 1985، و در پي کسب دو پيشرفتي که هر دو منجر به دريافت جايزۀ نوبل شدند بر مي‌گردد. اولين مورد مربوط به اختراع ميکروسکپ تونل‌زني عبوري يا STM در سال 1985 ميباشد که آن را دکترGerd Binnig و دکتر Heinrich Rohner، فيزيك‌دانان مؤسسۀ IBM، در زوريخ سوئيس انجام دادند. اين دو فيزيک‌دان با ارائۀ اين اختراع موفق به دريافت جايزۀ نوبل فيزيک در سال 1986 شدند. دومين پيشرفت، در يک دورۀ 11 روزه در همان سال 1985، در دانشگاه رايس حاصل شد. هنگامي که شيميدانان، دکتر Robert Curl Jr، دکتر ريچارد اسمالي و دکتر Harold Kroto، موفق به کشف ترکيب جديد کربني شدند که آن را باکي مينستر فولرين ناميدند که اصطلاحاَ به آن باکي‌بال گفته ميشود. بر خلاف ساير ترکيبات کربني که از تعداد نامحدودي اتم‌هاي کربن ساخته شده‌اند، اتم‌هاي تشکيل‌دهندۀ باکي‌بال‌ها محدود به 60 عدد ميباشد که اين تعداد اتم به صورت کروي و به شکل يک توپ فوتبال آرايش يافته‌اند و شکل اين ساختار براي اولين بار توسط معماري به نام باکي مينستر فولر ارائه شد. يافته‌هاي آنان بسيار بحث انگيز بود و نتيجۀ تلاش آنها براي کشف اين نانوذرات جديد نه تنها دريافت جايزۀ نوبل را براي آنها به دنبال داشت بلکه آغازي براي حجم وسيع تحقيقات در زمينۀ مواد نانومقياس گرديد. تولد فناوري‌نانو در زمينۀ سرطان را نيز ميتوان به همان دورۀ زماني نسبت داد. در اين تحقيقات کمتر به ماهيت مواد پرداخته شد و توجهات، بيشتر به تحقيق در مورد چگونگي تأثير آنها بر سلامتي انسان و حفظ زندگي معطوف گرديد. در اواسط دهۀ 1980، ميکروبيولوژيستي به نام دکتر Adler Moor از دانشگاه کاليفرنيا و بيوتکنولوژيستي به نام دکتر Richard Proffitt، ذرات کروي نانومقياسي از چربي توليد نمودند که به ليپوزوم‌ها مشهور شدند. ليپوزوم‌ها محتوي داروي قوي اما بسيار سمي amphotericin B ميباشند. اين ماده که ترکيبي جديد از يک داروي قديمي ميباشد، به وسيلۀ سلول‌هاي سيستم ايمني که ماکروفاژ ناميده ميشوند ايجاد ميشود. ماکروفاژ‌ها در هر مکاني از بدن که قارچي رشد کرده باشد آزاد ميشوند. ليپوزوم‌ها، amphotericin B را از طريق سلول‌هاي حساس کليه نگه مي‌دارند. نتيجۀ تحقيقات توليد داروي جديد و سالم‌تري بود که فيزيک‌دانان معتقدند، استفاده از اين دارو موفقيت درمان را مخصوصاَ در مورد بيماران سرطاني که پيوندهاي مغز استخوان دريافت کرده‌اند، تضمين مي‌کند. در همين زمينه محققان ديگري نيز موفق به توليد ليپوزومهاي ديگري شدند كه قادرند به طور سالم‌تر و مؤثرتري عمل انتقال عوامل ضد سرطان به تومورها و در نتيجه درمان سرطان را انجام دهند. نويد فناوري‌نانو: اگرچه بعد از آن ليپوزومهاي اوليه، تعداد محصولات نانومقياس براي دستيابي انسان به کاربردهاي درماني و پزشکي اندك است، اما اين بدان معني نيست که فناوري‌نانوي مرتبط با درمان سرطان، به پايان راه خود رسيده است. اکثر شيميدانان، مهندسان و زيست‌شناسان دو دهۀ گذشته را صرف تسلط بر پيچيدگي‌هاي کار با مواد نانومقياس نمودهاند، در نتيجه هم‌اکنون دانشمندان تصوير واضح‌تري از چگونگي ايجاد مواد نانومقياس با خصوصيات مورد نظر و مورد نياز براي کاربرد مؤثر در زندگي بشر را در پيش رو دارند. به گفتۀ دکتر Mauro Ferrari کار در مقياس نانو سخت‌تر از کارهايي است که در مورد محصولات ليپوزومي انجام گرفت و منجر به موفقيت شد. امروزه علي‌رغم تعداد وسيع محصولات نانومقياس که هم‌اکنون در دسترس ميباشند، کاربردهاي بالقوۀ اين نانومواد محدود است. اين محدوديت را مهندسان، شيميدانان و ديگران ايجاد نكرده اند بلکه از محدود بودن تصور و دانسته‌هاي ما در مورد زيست‌شناسي سرطان ناشي شده است. فناوري‌نانو در زمينۀ سرطان دربرگيرندۀ محدودۀ گسترده‌اي از مواد و روش‌هاست که متقابلاً براي حل و برطرف نمودن تعداد زيادي از مسائل و مشکلات در اين زمينه به کار مي‌رود، از جمله: - به زودي عوامل تصوير برداري و تشخيص بيماري، پزشکان را قادر به تشخيص سريع سرطان و درمان بسيار آسان خواهد نمود. - سيستم‌هايي که مي‌توانند ارزيابي‌هاي زمان واقعي از درمان‌ها و جراحي‌ها را براي تسريع فرآيند تفسير باليني ارائه نمايند. - تجهيزات چند کاره‌اي که مي‌توانند مرزهاي زيست‌شناسي را پشت سر گذاشته و عوامل دارويي چندگانه‌اي را با غلظتهاي بالا در زمان و مكان مشخص به ياخته‌هاي سرطاني برسانند. - عواملي که قادرند تغيرات مولکولي در بدن را پيش‌بيني نمايند و نيز از بدخيم شدن سلول‌هايي که در مرحلۀ پيش‌سرطان هستند، جلوگيري کنند. - سيتم‌هاي نظارتي که توانايي تشخيص تغييرات ناگهاني و نيز علائم ژنتيکي را که نشان‌دهندۀ پيش‌زمينه‌هاي بروز سرطان هستند دارا ميباشند. - روشهاي منحصر به فرد براي کنترل علائم سرطاني که کيفيت زندگي را به‌طور مضري تحت تأثير قرار مي‌دهند. - ابزارهاي تحقيقاتي که محققان را قادر خواهد ساخت، ماهيت عوامل جديد براي توسعۀ روشهاي باليني و پيش‌بيني ميزان مقاومت دارو را سريع‌تر تشخيص دهند.نانوذرات داراي انواع مختلفي هستند و به‌طور حتم نقش مهمي را در جنبه‌هاي مختلف زندگي بازي ميکنند. هر نانوذره خصوصيات کاملاَ منحصر به فردي دارد و هر محقق نيز نانوذرات را به طريق خاصي براي توسعۀ روشهاي جديد در مورد تشخيص و درمان سرطان به کار مي‌برد، با اين همه چند ويژگي خاص در مورد نانو ذرات وجود دارد که موجب ايجاد پيوند ميان تمامي اين تلاش‌ها شده و زمينۀ وسيعي را براي کاربرد فناوري‌نانو در زمينۀ سرطان ايجاد مي‌کند. |
|
|
| در ابتدا، محققان نانو ذرات را به گونه‌اي طراحي نمودند که اتصال
مقادير مولکول‌ها از قبيل مولکول‌هاي دارو و يا مولکول‌هايي که قادر به هدف‌گيري
ذرات به سمت تومورها هستند، به سطح ذرات به آساني انجام گيرد. به عنوان
مثال، يک عامل هدف گيرندۀ متداول، مي‌تواند مولکول اسيد فوليک باشد که
اصطلاحاَ به آن فوليت نيز گفته ميشود. اين عامل قادر است گيرنده‌هاي فوليت
را که در سطح سلول‌هاي سرطاني وجود دارند، تشخيص داده و به آنها متصل شود. عامل هدف گيرندۀ ديگر يک آنتي بادي ميباشد که قادر به شناسايي و اتصال به پروتئيني به نام Her-2 که در نمونه‌هاي قطعي سرطان سينه وجود دارد، ميباشد. عامل ديگر يک آپتامر (يک قسمت از اسيد نوکلئيک که به عنوان يک آنتي بادي Super- charged عمل مي‌کند) ميباشد که پس از تشخيص آنتي‌ژن‌هاي ويژۀ سرطان پروستات، قادر است که به آنها متصل شود. سرطان‌شناسان به طور حتم در حال جست‌وجو براي يافتن اين قبيل علائم سطحي سلول ميباشند و هنگامي‌که کار آنها به نتيجه رسيد، فناوري‌نانوست‌ها به آنها ملحق شده تا عوامل هدف گيرندۀ مورد نياز را توليد نمايند و به اين ترتيب جعبۀ ابزار دانشمندان در زمينۀ تشخيص و درمان سرطان کامل شود. اينکه چرا شيميدانها عامل هدف گيرنده را مستقيماَ به يک مولکول دارو يا يک عامل تصوير برداري متصل نمي‌کنند، از پيچيدگي‌هاي ديگر کاربرد نانو ذرات است و نيز چيزي است که شيميدانان داروساز به دنبال آن هستند؛ در عين حال قابل ذکر است که به کارگيري نانوذرات در اين زمينه دو مزيت عمده دارد: مورد اول، کارکرد يک نانوذره به صورت يک عامل هدف‌گيرنده است. هنگامي‌که اسيدفوليک به يک گيرندۀ فوليت مي‌چسبد، اين اتصال دوام زيادي ندارد و پس از مدتي مولکول اسيدفوليک از گيرنده جداشده و حرکت مي‌کند، در اين حالت ممکن است که اين عامل به گيرندۀ فوليت ديگري بر روي يک سلول مشابه متصل شود يا اينکه اين اتفاق نيفتد. دراينجا يادآوري چگونگي اتصال چند حلقه به يک قلاب، تصوير واضحي را از چگونگي عملکرد نانوذرات به ما مي‌دهد. در اين حالت نانو ذره به صورت قلابي عمل مي‌کند که دسته‌هاي چند‌تايي از عوامل هدف گيرنده، مانند اسيد فوليک، به آن متصل ميشوند و هدف گيري به اين روش بسيار مطمئن‌تر از هنگامي است که از يک داروي متصل شده به يک عامل هدف گيرنده استفاده شود. بنابر گفتۀ پروفسور Gregory Lanza، از بخش داروسازي دانشگاه واشنگتن، در اين حالت هر زماني‌که عامل هدف گيرنده از گيرنده‌اش، بر روي يک سلول سرطاني، جدا شود عامل هدف گيرندۀ ديگري بلافاصله جاي آن را پر مي‌نمايد. دومين دليل براي اين موضوع که چرا عملکرد ترکيب نانوذره با عوامل هدف‌گيرنده براي تشخيص يا درمان سلول‌هاي سرطاني از ساير روش‌ها بهتر است، اين است که بر خلاف يک مولکول- دارو يا يک عامل تصوير برداري که عملکرد شيميايي خاصي دارند، يک نانو ذره به صورت ظرف بزرگي ميباشد که مي‌تواند مملو از ده‌ها يا صدها عامل تصويربرداري يا مولکول دارو باشد. به گفتۀ دکتر kopelmanاستفاده از يک نانو ذره به جاي يک مولکول منفرد را ميتوان به تحويل دادن يک بستۀ پستي در عوض يک کارت تبريک، تشبيه نمود. پر نمودن يک نانوذرۀ هدف‌گيرنده با دارو، مي‌تواند به مقدار زيادي در کاهش اثرات سمي داروهاي درمان سرطان مؤثر باشد. از اين طريق ميتوان داروي بيشتري را به محل تومور رساند و از رسيدن دارو به بافت‌هاي سالم جلوگيري نمود و بدين طريق اثرات جانبي استفاده از اين داروها را تا حد زيادي کاهش داد، در عين اينکه ميزان اثر بخشي آنها نيز بهبود مي‌يابد. نانو ذرات چه هدف گيرنده باشند و چه نباشند، از طريق کاهش به کارگيري مواد شيميايي مختلف در ترکيب دارو که براي افزايش انحلال‌پذيري اين داروها در سيالات بدن به کار مي‌روند، نقش عمده‌اي در کاهش عوارض استفاده از داروهاي ضد سرطان دارند. به عنوان مثال دارويAbraxane يک ترکيب نانو ذره‌اي ساخته شده از داروي ضد سرطان و بسيار قوي Paclitaxel، به صورت عوامل فعال در Taxol، ميباشد که هم‌اکنون به‌صورت يک سلاح مهم در تسليحات درماني تومور‌شناسان به‌شمار مي‌آيد، اما مشکلي که در اينجا وجود دارد، کم بودن قابليت انحلالPaclitaxel در سيالات بدن ميباشد. شيميدان‌هاي داروساز به منظور غلبه بر اين مشکل، Paclitaxel را با مواد شيميايي ديگري که اثرات جانبي بسيار محدودي در بر خواهد داشت، ترکيب نمودند. چنانچه يک نانو ذره را با Paclitaxel پر کنيم، آلبومين به دست مي‌آيد که يکي از عمده‌ترين پروتئين‌هاي خوني ميباشد، استفاده از اين مادۀ فوق شيميايي مي‌تواند اثرات بسيار مفيدي براي بيماران داشته باشد. با استفاده از اين ماده بيماران مي‌توانند مقادير بيشتري از Paclitaxel را در عين داشتن کمترين ميزان اثرات جانبي، مصرف نمايند. چند عملکرد در يک نانو ذره: يکي از اميد‌بخش‌ترين کاربردهاي نانو ذرات، به کارگيري آنها به منظور انجام همزمان دو عمل تشخيص تومور و رساندن دارو به آن ميباشد. |
|
|
| دکترها kopelman، Prasad و Lanza، همگي در حال کار بر روي برخي کاربردهاي ويژۀ نانو ذرات در اين زمينه ميباشند. به‌همين ترتيب دکتر James Baker که تحقيقاتش تحت حمايت NCR قرار دارد، و گروهش در دانشگاه ميشيگان موفق به توليد dendrimerهاي چند منظوره‌اي شدند که به صورت نانو ذرات پليمري کروي شکلي ميباشند که قادرند با انواع مختلفي از مولکول‌ها آرايش‌هايي تشکيل دهند. |
|
|
|
دندریمرها را می‌توان به‌عنوان platformهای متحرک نانو‌مقیاس، به‌منظور ایجاد ابزارهایی با عملکرد چندگانه به‌صورت تشخیص سرطان و انتقال دارو به یاخته سرطانی،به‌کار برد. |
| در ماه‌هاي اخير، اين گروه نتايج حاصل از آزمايش‌هاي dendrimerهاي چند
کاره را بر روي حيوانات آزمايشگاهي را به صورت مقاله‌هايي ارائه نمود که
اين نتايج حاکي از موفقيت dendrimerها در در انجام همزمان دو عمل تشخيص و
درمان تومورها بود. يک چنين عملکرد چند منظوره‌اي را شايد بتوان مهم‌ترين
مشخصۀ نانو ذراتي دانست که در درمان سرطان استفاده ميشوند و دانشمندان با
به کارگيري آنها قادر به وجود آوردن تحولات بسيار عظيمي در عرصۀ تشخيص،
درمان و پيشگيري از سرطان خواهند بود. قابل توجه است که قابليت دارورساني به اين طريق، خاص يک نوع داروي خاص نيست و در اين شيوه ميتوان به طور همزمان چندين داروي متفاوت را به يک تومور انتقال داد. |
|
|
|
نانو platformهای متحرک هوشمند توانایی تغییر شیوه‌های تشخیص، درمان و پیشگیری از سرطان را دارا می‌باشند.می‌توان یک پادتن تک‌مجرایی سرطان را به جداره خارجي اين كلنيك‌ها‌ي نانو متري متصل نمود و به منظور جلوگيري از تشخيص اين مجموعه توسط سيستم ايمني بدن، آنها را با پلي اتيلن گليكول پوشاند. |
| مطمئناَ تلاش‌هاي فراواني به منظور توليد نانو ذرات چند کاره با خواص ويژۀ درماني صورت خواهد گرفت؛ خواصي که هر سه عملکرد هدف يابي، ظرفيت ترابري و غلبه نمودن بر مقاومتي که تومور نسبت به دارو نشان مي‌دهد، را به صورت يک‌جا داشته باشند. مع‌ذلک دانشمندان فناوري‌نانو که در زمينۀ سرطان فعاليت ميکنند خوش‌بين هستند که روش‌ها و رقابت‌هاي پيش‌بيني شده قادر خواهند بود بر چالش‌ها و پيچيدگي‌هاي موجود در اين زمينه غلبه نمايند و نيز اينکه فناوري‌نانو تحولات بسيار عظيمي را در زمينۀ سرطان ايجاد خواهد کرد که منافع آن براي بيماران سرطاني بي‌شمار خواهد بود. |
| هسته و تعريف اوليه فناوري نانو، مونتاژ اتم‌ها بود كه اولين منبع ثبت شده مـربـوط
بـه آن را در سـال 1959 فيـزيكدانـي بـه نام ريچـارد فيـنمن به چاپ رسانده است.
فناوري نانو يك فناوري معكوس (پايين به بالا) است كه اجزاي مواد را در ساختار بسيار
كوچك كنار هم گذاشته و ساختاري متفاوت از مواد متداول توليد شده به روش بالا به
پايين ايجاد مي‌كند. بنابراين مواد توليد شده به اين روش نقايص كمتر و كيفيت
بالاتري دارند. نانوكامپوزيت‌هاي پليمري در بيست سال اخير در مجامع علمي و صنعتي مورد توجه قرار گرفته‌اند. به عنوان مثال تنها در آمريكا در سال 1997، 116 ميليون دلار براي تحقيق در اين زمينه هزينه شده است كه در سال 2004 اين رقم به 961 ميليون دلار رسيده است يعني در هفت سال تقريباً 9 برابر شده است. شركت Business communications Co. Inc. (BCC) در يك بررسي اقتصادي نشان داده است كه بازار نانوکامپوزيت‌هاي پليمري در سال 2003،24.5 ميليون پوند به ارزش 90.8 ميليون دلار بوده است و پيش بيني ميشود كه اين رقم با رشد متوسط 18.4 درصد در سال 2008 به 211.1 ميليون دلار برسد. حتي پيش‌بيني شده است كه اگر پيشرفت فناوري نانو با موارد فني همگام روبه‌رو شود در بعضي از كاربردها اين بازار با سرعت بيش از 20 درصد در سال رشد كند. نانوکامپوزيت‌هاي پليمري جايگزيني قوي براي پليمرهاي پرشده (حاوي پركننده) يا آلياژهاي پليمري متداول هستند. بر خلاف كامپوزيت‌هاي متداول كه تقويت در آنها در ابعاد ميكرون روي مي‌دهد، در نانوکامپوزيت‌ها اين ابعاد به چند نانومتر مي‌رسد. ارزش افزوده نانوکامپوزيت‌هاي پليمري تنها بر اساس بهبود خواص مكانيكي پليمرها يا جايگزيني پركننده‌هاي متداول نيست بلكه پركننده‌هاي نانو در مقادير بسيار كم، خواص ويژه‌اي را بدون ايجاد تغيير زياد در خواص مكانيكي يا فرآيند‌پذيري، در پليمرها ايجاد مي‌كنند كه پليمر اوليه فاقد آن است، متداول‌ترين پركننده‌هاي نانو در پليمرها، سيليكات‌هاي لايه‌اي نانو و نانولوله‌هاي كربني هستند. پركننده‌هاي لايه‌اي نانو سيليكا سيليكات‌هايي كه در ساخت نانوکامپوزيت‌ها به كار مي‌روند، ساختاري لايه‌اي با ضخامت حدود يك نانو متر دارند كه طول آنها متغير است و به چند ميكرون هم مي‌رسد. بنابراين نسبت منظر (نسبت طول به ضخامت) آن بسيار بالا و بيشتر از هزار است. اين لايه‌ها توده‌اي تشكيل مي‌دهند كه در بين آن فاصله‌هايي وجود دارد كه از اين پس آنها را با نام بين‌لايه‌ها (interlayer) خواهيم شناخت. با جايگزيني ايزومورفيك بين لايه‌ها (جايگزيني Mg+2 با Al+3) يك بار منفي ايجاد ميشود كه ساختار آلكالي يا آلكالين كاتيون‌هاي معدني درون بين لايه‌ها را موازنـه مـي‌كند. سطح كاتيـون‌ها مانند يـون‌هاي توده‌اي (bulky) آلكيل آمونيوم، فاصله بين لايه‌ها را افزايش داده و انرژي سطحي پركننده را كاهش مي‌دهد. بنابراين اين پركننده‌هاي اصلاح شده كه به رس آلي(OrganoClay) معروفند، با پليمرها سازگارترند و نانوکامپوزيت‌هاي لايه‌اي با سـيـليــكـا شــكل مـي‌گـيـرد. مـونـت‌مـوريـلـونـيـت (montmorillonite)، هكتوريت (hectorite) و ساپونيت (saponite) متداول‌ترين پركننده‌هاي سيليكايي لايه‌اي هستند. روشهاي ساخت نانوکامپوزيت‌ها از آنجا كه در صنايع پليمري نانوسيليكات‌ها، متداول‌تر از بقيه مواد نانو هستند از اين پس بيشتر به اين مواد خواهيم پرداخت. روشهاي مختلفي براي ساخت نانوکامپوزيت‌هاي سيليكات‌هاي لايه‌اي به كار رفته است.اما سه روش، استفاده بيشتري دارند. 1- پليمريزاسيون درجا insitu-polymerization)): اين روش براي اولين بار در تهيه مواد پليمري حاوي نانوکلي(clay) بر پايه پلي‌آميد-6 به كار رفته است. در اين روش سيليكاهاي لايه‌اي به وسيله مونومر مايع يا محلول مونومر، متورم ميشود، سپس مونومرها به درون لايه‌ها سيليكات نفوذ كرده و پليمريزاسيون در بين لايه‌ها اتفاق ميافتد. 2- روش محلولي: اين روش مشـابه روش قبـلي است. ابـتـدا رس آلي در يك حلال قطبي مانند تولوئن يا NَN,- دي متيل فرماميد متورم شده، سپس پليمر حل شده در حلال به محلول قبلي افزوده شده و بين لايه‌ها جاي مي‌گيرد. مرحله نهايي كار، تبخير حلال است كه معمولاً در خلا اتفاق ميافتد. مزيت اين روش اين است كه براي همه مواد پليمري قابل اجراست اما اشكال عمده آن غير قابل اجرا بودن آن در مقياس صنعتي ميباشد. 3- روش اختلاط مذاب: در اين روش پليمر مذاب كه داراي ويسـكوزيـتـه پاييـني است با پركننـده نـانوکليِ(clay) آميخته ميشود. در اين روش به دليل افزايش بي‌نظمي، پليمر به داخل لايه‌هاي كلي(clay) نفوذ مي‌كند(شكل1). اين روش، به دليل پتانسيل بالايي كه براي اجرا در مقياس صنعتي دارد به شدت مورد توجه قرار گرفته است و نانوکامپوزيت‌هاي كلي(clay) بسيار زيادي به روش اكستروژن توليد شده است. تعداد زيادي از ترموپلاستيك‌هاي قطبي مانند پلي‌آميد-6، اتيل وينيل استات و پلي استايرن به اين روش درون لايه‌هاي سيليكاتي نفوذ كردهاند اما در مورد پلي اولفينها كه مصرف بسيار زيادي نيز دارند اين فرآيند موفق نبوده است. اجراي اين روش در لاستيك‌ها به دليل ويسكوزيته بسيار زياد و پديده‌هاي الاستيك با موانع زيادي روبرو است و همين امر دليل عدم پيشرفت قابل توجه نانوکامپوزيت‌هاي الاستومري در مقايسه با پلاستيك‌ها است. |
|
 |
|
| شكل1- روش ساخت نانو كامپوزيت‌هاي كلي(clay) به | |
|
ساختار نانوکامپوزيت‌هاي كلي(clay) بسته به طبيعت اجزاي يك نانوکامپوزيت مانند نوع پليمر، ماتريس و سيليكات لايه‌اي يا كاتيون آلي بين لايه‌هاي سيليكاتي سه ساختار در نانوکامپوزيت‌ها ممكن است ايجاد شود (شكل 2): 1- ساختار فاز‌هاي جدا: اگر پليمر نتواند بين لايه‌هاي سيليكاتي نفوذ كند يك ميكروكامپوزيت توليد ميشود كه مانند كامپوزيت‌هاي متداول بوده و امكان جدايي فازي در آن وجود دارد. به جز اين نوع متداول كامپوزيت‌ها، امكان ايجاد دو ساختار ديگر وجود دارد. |
|
 |
|
| شكل2- ساختار نانو كامپوزيت‌هاي كلي(clay) | |
|
2- ساختار لايه لايه(Intercalated structures): اين ساختار با نفوذ يك يا چند زنجير پليمري به درون لايه‌هاي سيليكا و ايجاد ساختار ساندويچي حاصل ميشود. 3- ساختار پراكنده يا پخش شده exfoliated ordelaminated structure)) : اين ساختار وقتي حاصل ميشود كه لايه‌هاي پركننده سيليكاتي به طور همگن و يكنواخت در بستر پليمري توزيع شده باشند. اين ساختار لايه‌هاي كاملاً جدا شده از اهميت بسيار ويژه‌اي برخوردار است زيرا بر همكنش لايه‌هاي كلي(clay) و پليمر را به حداكثر رسانده و تغييرات بسيار مشهودي را در خواص فيزيكي مكانيكي پليمر ايجاد مي‌كند. |
|
|
خواص نانوکامپوزيت‌ها نانوکامپوزيت‌ها در مقادير 5-2 درصد وزني، خواص پليمرهاي خالص را به طرز قابل توجهي بهبود مي‌دهند. اين ارتقاي خواص عبارتند از: • خواص عبور پذيري (barrier) مانند نفوذپذيري و مقاومت در برابر حلال‌ها؛ • خواص نوري ؛ • هدايت يوني خواص ديگر حاصل از ساختار لايه‌اي نانو سيليكات‌ها در نانوکامپوزيت‌هاي پليمري، افزايش پايداري حرارتي و مقاومت در برابر شعله (آتش) در مقادير بسيار كم پركننده ميباشد. |
|
|
نانوکامپوزيت‌هاي مورد استفاده در صنعت پلاستيك قيمت پايين نانوکلي(clay) نسبت به ساير پركننده‌هاي نانو و امكان استفاده از روش اختلاط مذاب در پلاستيك‌ها باعث شده است كه اين شاخه ازنانوکامپوزيت‌ها رشد سريعي داشته و محصولاتي بر پايه پلاستيك‌هايي مانند پلي پروپيلن (PP)، پلي‌اتيلن ترفتالات (PET)، پلي‌اتيلن (PE)، پلي‌استايرن (PS) و نايلون به بازار عرضه شود. در ادامه به چند نمونه از اين كاربردها اشاره شده است. شركت معروف توليد كننده خودرو، جنرال موتورز،جزء اولين استفاده كنندگانِ نانوکامپوزيت‌هاست. شكل 3 قسمتي از يك وانت را نشان مي‌دهد كه 7 پوند نانوکامپوزيت رنگي در ساخت قطعات و اجزاي قسمت مخصوص بار آن به كار رفته است. شكل 4 پشت صندلي جديد توليد شركت Nobel polymer را با نام تجاري Forte نشان مي‌دهد. اين قطعه قبلاً از پلي‌پروپيلن تقويت شده با الياف شيشه ساخته مي‌شد كه باعث مشكلات فرآيندي، نقايص ساختاري قابل رويت و تاب برداشتن (warpage) مي‌شد، اما در حال حاضر اين قطـعه از نانوکامپوزيت PP و كلي(clay) ساخته شده و در اتومبيل Honda Acoratl 2004 كار گذاشته شده است. |
|
| شكل 3- در قسمت مخصوص بار اين وانت ( مدل GM Hummer 2005) ساخت جنرال موتورز از 7 پوند نانو كامپوزيت استفاده شده است | |
|
و بالاخره شكل 5 بطري نوشيدني ساخته شده Honeywell از PET به وسيله شركت را نشان
مي‌دهد كه در ساختار آن از نانوکامپوزيت نايلون 6 و نانوکلي(clay) استفاده شده است
و در اواخر سال 2003 با نام تجاري Aegis به بازار عرضه شده است. گفته ميشود اين
بطري داراي يك ساختار سه لايه است كه امكان نگه‌داري 26 هفته‌اي محتوياتش را فراهم
مي‌كند. نانوکامپوزيت‌هاي مورد استفاده در صنعت لاستيك با توجه به مسائلي كه پيش‌تر به آن اشاره شد و مشكلات اجراي روش اختلاط مذاب در مورد الاستومرها، هنوز محصولات زيادي از نانوکامپوزيت‌هاي الاستومري به بازار عرضه نشده است، اما تحقيقات بسيار گسترده‌اي در شركت‌ها و مراكز تحقيقاتي مختلف بر روي اين نانوکامپوزيت‌ها در حال اجراست. به عنوان مثال بنيان‌گذاران شركت Inmat به دنبال استفاده از نانوکلي(clay) در ساختار قطعات لاستيكي ورزشي هستند و يك روكش نانوکامپوزيتي به ضخامت 30-10 ميكرون با خواص نفوذنا‌پذيري و انعطاف‌پذيري بسيار بالا با پايه آلي ساخته‌اند. كه مي‌تواند بدون پارگي تا بيش از 20% كشيده شده و در ساخت قطعات لاستيكي نفوذنا‌پذير به كار روند. آنها ادعا مي‌كنند كه با استفاده از اين روكش‌ها، توپ‌هاي تنيس تا 12 ماه باد درون خود را نگه مي‌دارند، توپ‌هاي فوتبال و بسكتبال به مدت زياد نياز به باد كردن مجدد ندارند و تايرها به جاي هر سه ماه يكبار باد كردن هر سال يكبار باد ميشوند كه منجر به كاهش تصادفات ناشي از مشكل باد تايرها خواهد شد. با توجه به ضخامت ناچيز اين روكش‌ها (30-10ميكرون) افزايش وزن و تغيير خواص مكانيكي لاستيكي در اثر استفاده از اين روكش‌ها قابل اغماض است. لازم به ذكر است روش محلولي در ساخت اين نانوکامپوزيت به كار رفته است. |
|
|
اين شركت با همكاري شركت Michelin در حال آزمايش مشابه اين فناوري براي آب‌بندي
كردن درون تاير، كاهش مقدار لاستيك بيوتيل مورد نياز، سبك‌تر و ارزان‌تر كردن تاير
و ساخت تايرهاي سردتر (cooler running) ميباشد. اما آيا صنعت تاير نيز به صورت گسترده تحت تأثير فناوري نانو قرار خواهد گرفت؟ در آينده با توجه به رشد روزافزون نانو در عرصه الكترونيك، نور و... احتمالاً بتوان تمام مراحل توليد تاير را در ابعاد نانو مشاهده و كنترل كرد اما بازار امروز صنعت تاير نيز با جايگزيني مواد متداول با مواد نانو ساختار مي‌تواند از خواص و مزيت‌هاي آنها بهره گيرد. به عنوان مثال شركت Goodyear پروژه‌هايي را بر پايه فناوري نانو و با بهره‌گيري از روشهاي مكانيكي و شيميايي دنبال مي‌كند كه هدف از آنها كنترل ساختار، خواص مكانيكي و پاسخ الاستومر‌هاي پخت شده به فركانس‌هاي مختلف است.آنها در نظر دارند تقويت كنندگي و پخت را در ابعاد زير ميكرون كنترل كرده و بهبود دهند تا كارآيي تايرها، هم با مواد جديد و هم با مواد سنتي، ارتقاء يابد. |
 |
| شكل 4 - پشت صندلي جديد توليد شركت Nobel polymer كه از نانو كامپوزيت PP و كلي(clay) ساخته شده و در اتومبيل Honda Acoratl 2004 كار گذاشته شده است | |
|
آنها مواد بسيار جديد را نيز بررسي نمودهاند آئروژل‌هاي سيليكاتي يكي از اين مواد
هستند. نانو ايروژل‌ها از 98% هوا (به صورت حباب‌هاي نانو) در بستر سيليكا ساخته
شده‌اند كه علاوه بر سبك بودن، مقاومت حرارتي بسيار بالايي دارند. محققان دانشگاه
ميسوري آمريكا ادعا كردهاند كه نانوآئروژل خاصي ساخته‌اند كه مي‌تواند به جاي
تايرهاي لاستيكي استفاده شود. شركت Goodyer نيز از اين نانو آئروژل‌ها در ساخت تاير
استفاده كرده، نتايج تحقيق خود را به صورت اختراع ثبت كرده است. و بالاخره يكي از بهترين اين تحقيقات را شركت Cabot صورت داده است. در سال 2003 شركت Cabot يك نمونه از پركننده‌هاي نانو، توليد شركت nano products (با نام تجاري PüreNano) را در تاير به كار برده است. استفاده از پركننده نانو سيليكون كاربيد منجر به بهبود قابل توجه مقاومت لغزندگي (skid resistance) و كاهش 50 درصدي سايش شده است كه در نهايت منجر به توليد تايرهايي با ايمني بسيار بالا و طول عمر 2 برابر تايرهاي متداول خواهد شد. تلاش آميزه‌كاران و مهندسان صنعت لاستيك بر اين است كه با استفاده از تجهيزات موجود از فناوري نانو بهره جسته، بتوانند در مقياس نانو فرآيند ساخت را كنترل و محصولي با كيفيت بالاتر و يكدست به بازار عرضه كنند. با توجه به گسترش روز افزون فناوري نانو به نظر مي‌رسد كه در آينده‌اي نه چندان دور توليد تاير نيز مانند توليد ساير محصولات كاملاً دگرگون شود. | |
تعداد صفحات : 15
اطلاعات کاربری
نانوذرات، روان كننده، كاهش اصطكاكلینک دوستان
آرشیو
آمار سایت