هدف فناوري‌هاي مولكولي قرارگرفتن به جاي تراشه‌هاي حافظه امروزي مي‌باشد؛ اما آيا اين فناوري مي‌تواند كارآيي داشته و به حد كافي هم ارزان باشد؟ هنگامي كه شركت تازه‌كار نانترو (Nantero) در اوايل سال 2003، ايدة ساخت تراشه‌هاي حافظه‌اي از جنس نانولوله‌هاي كربني را مطرح كرد و به اين منظور خواهان همكاري با LSI Logic شد، مقامات آن شركت دچار شگفتي شده و با ديدة ترديد به آن نگريستند. اگرچه كشف نانولوله‌هاي كربني كوچك اما بسيار مقاوم، انعطاف‌پذير و رسانا با ابعادي در حد رشته‌هاي DNA، هيجان فراواني در جامعه علمي ايجاد كرده و منشأ تحقيقات زيادي بوده است اما ساخت آن در خط توليد انبوه نيمه‌رسانا امري بي‌سابقه است.

به هر حال LSI خطر همكاري با نانترو را پذيرفت و سرانجام با تلاشي دقيق و طاقت‌فرسا طي مدت بيش ازيك سال، در ماه مي- ارديبهشت- اولين لاية نازك سيليكوني داراي سلول حافظة نانولوله‌كربني ساخته و سريعاً براي تست به آزمايشگاه فرستاده شد. در آنجا مهندسان درحالي كه هنوز نسبت به كارآيي الكتريكي آن ترديد داشتند، با احتياط جريان الكتريكي خروجي از يك ردياب خميده (Curve tracer) را كه براي بررسي سلول‌هاي ريز حافظه به كار مي‌رفت به آن اعمال كردند و در كمال ناباوري مشاهده نمودند كه اغلب اين سلول‌ها به طور صحيح به كار افتادند. موفقيت اين تراشه‌ها باعث شد تا آنهايي كه قبلاً در مورد عملي‌بودن ساخت و كارآمدي چنين سوئيچ‌هايي ترديد داشتند، كم‌كم آن را باور كنند. البته مدتي طول خواهد كشيد تا ساير بخش‌هاي صنعت تراشه هم آن را بپذيرند. به‌علاوه آنكه فناوري نانترو به آزمايش‌هاي بيشتر و تنظيم‌هاي دقيق‌تر نياز دارد و مهندسان LSI تازه در ابتداي روند آزمايش و بهبود اين محصول مي‌باشند. به گفتة نورم‌آرمور قائم‌ مقام رئيس و مدير عمومي برنامه‌هاي فوق‌العاده LsI Gresham، در اينكه تراشه‌هاي نانولوله‌هاي كربني نانترو بالاخره به توليد انبوه مي‌رسند شكي نيست و هيچ مانعي در اين راه مشاهده نمي‌شود. براي نانترو كه در نظر دارد اولين تراشه‌هاي حافظه نانولوله‌هاي كربني را طي دو تا سه سال آينده به بازار عرضه كند، اين مطلب خبري خوشايند است و همچنين ده‌ها شركت ديگري كه با انجام فرآيندهاي گوناگون براي بهره‌گيري از ذرات اتمي و مولكولي سعي در توليد مواد و كالاهاي جديد دارند را به ادغام فعاليت‌هاي نيمه‌‌رسانايي خود در فناوري نانو تشويق مي‌كند. اما هنوز بايد منتظر بود و ديد كه آيا نانترو و رقباي ديگر در اين عرصه قادر خواهند بود تا تراشه‌هايي تجاري توليد كنند كه با فناوري‌هاي موجود و يا فناوري‌هاي جايگزين ديگر از لحاظ هزينه برابري كرده و حتي ارزان‌تر باشد و بازار را در اختيار بگيرد. به نظر تحليل‌گران، محصول توليدي نانترو به احتمال زياد از لحاظ كارآيي مشكلي نخواهد داشت. اما نكتة مهم آن است كه آيا قيمت آن هم در حدي خواهد بود كه قابل عرضه و فروش در بازار باشد؟ حافظة مولكولي در حال حاضر شركت‌هاي متعددي مشغول توسعة تراشه‌هاي حافظه‌اي براساس نانومواد مي‌باشند. به عنوان مثال شركت زتاکور (ZettaCore) توانسته است نظر موافق اعضاي هيئت مديره بسياري از شركت‌هاي معروف ازجمله Les Vadasz از سرمايه‌گذاران اينتل را جلب کند. به‌ علاوه توانسته است 20 ميليون دلار از سرمايه‌گذاري‌هاي خطرپذيررا براي طرح استفاده از مولكول‌هاي آلي ريز شبه‌كلروفيلي به جاي خازن‌هاي ذخيره بار در تراشه‌‌هاي حافظه از نوع DRAM و SRAM، جذ ب كند. از شركت‌هاي ديگر مي‌توان Nanosys را نام برد كه هم‌اكنون با همكاري اينتل روي نانوبلورهايي كار مي‌كنند كه كاربرد آن موجب افزايش طول عمر حافظه‌هاي فلش خواهد شد. Nanomagnetics هم به توسعة نوعي ماده مغناطيسي حافظه مشغول است كه براساس پروتئين فريتين (Ferritin) ساخته شده و احتمالاً در ساخت ديسك‌درايو و تراشه‌هاي حافظه به كار خواهد رفت. شركت الكترونيك مولكولي كاليفرنيا هم در حال ساخت نوعي سوئيچ مولكولي براي استفاده در نمايشگرها و ابزارهاي حافظه مي‌باشد. از بين تمام اين شركت‌هايي كه ذكر شد به نظر مي‌رسد نانترو و زتاکور بيشتر به بازار نزديك باشند. هردوي اين شركت‌ها در نظر دارند به جاي آنكه خود به توليد تراشه‌هاي ابداعي‌شان بپردازند، امتياز بهره‌برداري از فناوري آن را به ساير توليدكنندگان تراشه بدهند. انتظار مي‌رود توليد تجاري اين محصولات تا سال 2006 به نتيجه برسد. نكته قابل توجه ديگر آن است كه روند فعاليت‌ و كار اين دو شركت از ديد سرمايه‌گذاران خطرپذير و ازجمله جروتسون- از مديران شرکت DFJ (Draper Fisher Jurveston)- كه در هردوي اين شركت‌ها سرمايه‌گذاري نموده است، مثبت ارزيابي مي‌شود. با اين اوصاف، ديگر جاي تعجب نيست اگر مشاهده كنيم كه بسياري از رقابت‌ها در عرصه تجارت متوجه بازار حافظه باشد. توليد و ساخت حافظه‌ها يكي از بزرگ‌ترين بخش‌هاي صنعتي مي‌باشد اما با مشكلات فني متعددي نيز مواجه است؛ مشكلاتي از قبيل نشت بار از خازن، ساختارهايي با پيچيدگي فزاينده و نيز حساسيت به خطاهاي جزئي ناشي از پرتوهاي كيهاني. وجود چنين مشكلاتي سبب مي‌شود تا سازندگان تراشه نتوانند بيش از اين ابعاد تراشه‌هاي خود را كاهش دهند. مسائل قابل توجه ديگري كه در اين زمينه وجود دارد، عبارتند از تراشه‌هاي SRAM مربوط به سلول‌هاي بزرگ حافظه، مشكل‌ قراردادن DRAM و حافظه فلش در كنار تراشه‌هاي منطقي و كندي زمان دسترسي به حافظه فلش و پايداري محدود آن مي‌باشد. به گفته تحليلگران هم‌اكنون 20 فناوري جايگزين به دنبال دستيابي به بازار 48 ميليارد دلاري حافظه مي‌باشند، رقمي كه پيش‌بيني مي‌شود تا سال 2008 به حدود 57 ميليارد دلار برسد. شركت تحقيقات صنعتي NanoMarket در يك پيش‌بيني خوشبينانه اظهار داشته كه فروش حاصل از فناوري‌هاي مختلف مرتبط با نانوحافظه تا سال 2008 به رقم تقريبي 15 ميليارد دلار خواهد رسيد. همين رقم را تحليلگر ديگري با ديدي بيش از حد ملاحظه‌كارانه، 4/2 ميليارد دلار پيش‌بيني كرده است. اما به عقيدة همين شخص همچنان براي هر شركت ديگري كه بخواهد به رفع محدوديت تراشه‌هاي حافظة امروزي بپردازد، زمينة فعاليت وجود دارد اما به شرط آنكه محصول توليد شده از لحاظ هزينه مقرون به صرفه باشد.

بحران احتمالي آينده گفته مي‌شود استفاده از فناوري نانو مي‌تواند راهي براي پيشگيري از بحران احتمالي در آيندة صنعت نيمه‌رساناها به شمار آيد. به طوري كه با قانون مور، مبني بر انتظار دو برابر شدن چگالي تراشه در هر 18 تا 24 ماه هم مطابقت داشته باشد. و اگر شركت‌هاي نانترو و زتاکور كاري در اين زمينه انجام ندهند صنعت نيمه‌رسانا به ركودي قابل توجه نايل مي‌شود. بنابه اظهارات استفان لايي، جانشين گروه فناوري و توليد اينتل، صنعت 15 ميليارد دلاري حافظة فلش به محدوديت‌هاي فناوري خود نزديك مي‌شود و احتمالاً توليد آن به نحو چشمگيري كاهش مي‌يابد لذا بايد خود را براي هر پيشامدي در اين مورد آماده نمود، البته نمي‌توان نقش مهمي كه فناوري‌هاي جايگزين در اين‌باره خواهند داشت را ناديده گرفت. وي همچنين عقيده دارد كه شركت اينتل مي‌تواند تراشه‌هايي 45 نانومتري توليد كند كه نصف تراشه‌هاي 90 نانومتري امروزي هستند، اما اينكه آيا مي‌توان از اين هم فراتر رفت يا نه؟ مطلبي است كه چندان روشن نيست. اينتل به دنبال نسل جديدي از حافظه‌هاي فلش با ابعاد 22 نانومتر مي‌باشد كه بتواند جايگزين تراشه‌هاي امروزي شود اما به عقيدة كارشناسان، اين كار زودتر از سال 2012 به نتيجه نخواهد رسيد. به گفتة استفان‌لايي ايجاد يك بازار مطمئن به جاي حافظه‌هاي فلش پنج سال طول خواهد كشيد. لذا اگر به عقب برگرديم لازم است تا در بازة زماني 2006 تا 2007 محصولي جايگزين در بازار داشته باشيم. با تمام اين احوال برنامة فعلي اينتل براي جايگزيني حافظه‌هاي فلش براساس فناوري نانو نيست و به جاي آن، اين شركت در نظر دارد از فناوري ovonic يعني ذخيره داده‌ها روي لايه نازكي از Chalcogenide- ماده‌اي كه در CDهاي با قابليت نوشتن مجدد بر روي آنها كاربرد دارد- استفاده نمايد.

بسته به بار الكتريكي اعمال‌شده، نانولوله‌هاي كربني به دو صورت سوئيچي خميده و مستقيم درمي‌آيند كه در حالت اول اتصال الكتريكي برقرارشده و در حالت دوم اتصال قطع مي‌شود.

گفتة مسئولان اينتل آنها در اين زمينه پيشرفت خوبي داشته و كاملاً مطمئن هستند كه مي‌توانند حافظه‌هايي را از اين ماده بسازند و اگرچه در ابتدا احتمال دارد هر بيت از تراشه‌هاي ovonic دوبرابر گران‌تر از حافظه‌هاي فلش باشند اما انتظار مي‌رود كه اين فناوري نهايتاً به توليد سلول‌هاي حافظة كوچك‌تري منجر شود. دو جايگزين ديگر براي حافظه‌هاي فلش كه انتظار مي‌رود بعد از ده سال توسعه و كار بالاخره به بازار راه يابند عبارتند از FRAM (RAMهاي فروالكتريك) و MRAM (RAMهاي ضدمغناطيسي). براي اطلاعات بيشتر به شمارة اول آوريل 2003 مجلة Memory enhancement مراجعه نماييد. فروش شركت Ramtron international از تراشه‌هاي FRAM كم‌مصرف خود 10 ميليون دلار در هر دوره سه ماهه بوده است. اين تراشه‌ها قادرند بار الكتريكي را در لايه‌هاي نازك تركيبات پروسكات شبه‌سراميكي ذخيره نمايند. ضمناً شركت Freescale Semiconductor هم در نظر دارد تا به طور آزمايشي تعداد محدودي تراشة MRAM تجاري توليد كند. اين تراشه‌ها كه قادرند اطلاعات را به صورت مغناطيسي ذخيره نمايند، تا اواخر سال 2004 به بازار عرضه خواهند شد. MRAM و FRAM نيز همانند حافظه‌‌هاي ovonic محصولاتي نانويي به شمار نمي‌آيند اما با اين وجود فناوري نانو واژه‌اي است كه تعبيرات مختلفي از آن مي‌شود. برخي عقيده دارند كه سازندگان تراشه‌ها در واقع بزرگ‌ترين متخصصان و كاربران فناوري نانو هستند چراكه هرچيزي با ابعاد كمتر از يك ميكرون در قلمرو نانو قرار مي‌گيرد و عمدة اين صنايع (توليدكنندگان تراشه) در ابعاد كمتر از ميكرون كار مي‌كنند. از سوي ديگر به عقيدة مطلق‌نگرها لازمة فناوري نانوي صحيح، استفاده از ماشين‌هاي ريز خودتكثير مي‌باشد. غير از اين دو گروه، ديگران بين فرآيندهاي كل به جزء (بالا به پايين) يعني ايجاد نانوساختارها از يك تودة ماده، و فرآيندهاي پايين به بالا (جزء به كل) تفاوت قائل بوده و فرآيندهاي پايين به بالا را فناوري نانوي صحيح مي‌پندارند، چرا كه در اين روش ساختارها و يا مواد به صورت مولكول به مولكول يا اتم‌به اتم (توليد يك اتم يا يك مولكول در هر مرحله) شكل مي‌گيرند. و همين ديدگاه اخير است كه هستة اصلي فناوري در شركت نانترو و زتاکور را تشكيل داده در حالي كه تراشه‌هاي رايج امروزي و نسل اول حافظه‌هاي جايگزين، با تعريف اول (بالا به پايين) مطابقت دارند.

روش نانترو بعد از آن كه روئكس طي مقاله‌اي چگونگي استفاده از نانولوله‌هاي كربني را در ذخيره اطلاعات بيان داشت، گِرگ اشمرجل و برنت سگال، دارنده دكتراي شيمي از دانشگاه هاروارد و توماس روئكس اقدام به تأسيس نانترو در سال 2001 نمودند. شركت آنها موفق شد 16 ميليون دلار سرماية خطرپذير را جذب خود نموده و 25 كارمند هم استخدام كند. هدف آنها تجاري‌سازي تراشه‌هاي حافظه‌اي بود كه همان سرعت SRAM، همان ظرفيت DRAM و همان غيرفراريت (توانايي در نگهداري اطلاعات هنگام قطع برق) حافظه‌هاي فلش را داشته باشند. فناوري NRAM آنها به اين صورت عمل مي‌كرد كه رشته‌هاي معلقي از نانولوله‌هاي كربني روي سلول‌هاي حافظه‌اي ساخته شده از يك لايه نازك نانولوله‌اي، قرار مي‌گرفتند (در شكل نشان داده شده است). با اعمال بار مثبت يا منفي، اين رشته‌ها يا جذب سلول‌هاي حافظه شده و توسط نيروهاي بين‌مولكولي نگه‌داشته مي‌شدند كه به اين ترتيب اتصال الكتريكي برقرار مي‌شد و يا اينكه از سلول‌هاي حافظه دور شده و باعث قطع اتصال الكتريكي مي‌گرديدند. سلول‌هاي حافظه نانولولة كربني روي ويفرهاي سيليكوني با همان روش ليتوگرافي (چاپ) معمولي (رسوبدهي يا حكاكي) ساخته مي‌شوند. به گفتة اشمرجل مدير اجرايي نانترو، احتمالاً توليد آزمايشي محصولات اين شركت بسياري از صاحبان صنايع را شگفت‌زده نمايد چرا كه تصور مي‌شود توليد انبوه زودتر از 10يا 15 سال آينده امكان‌پذير نخواهد بود و كسي هم نمي‌تواند چگونگي توليد انبوه آنها و قراردادنشان روي ويفرها را كشف كند. اما آنچه ما در اين مرحله موفق به انجام آن شده‌ايم فرآيند ساده‌اي است كه مي‌توان آن را با محصولات موجود مقايسه نمود. اخيراً نانترو شروع به همكاري با سيستم‌هاي BAE، پيمانكار دفاعي انگلستان نموده تا با همكاري آنها بتواند تراشه‌هاي نانولوله‌هاي كربني را جهت صنايع هوافضا به كار برد. زيرا در اين صنايع ايمني آنها در مقابل تابش، يك مزيت اساسي به شمار مي‌آيد. همچنين نانترو كارهايي را به طور مشترك با شركت توليدابزار ASML براي توسعة تكنيك‌هاي چاپ نانولوله‌هاي كربني آغاز نموده است. روش زتاکور مؤسسان زتاکور در اواخر دهة 1990 ضمن كار براي يك شركت فناوري زيستي كاليفرنيايي با يكديگر ملاقات كرده و اولين سرمايه‌گذاري خطرپذير خود را در سال 2001 آغاز نمودند. در فناوري زتاکور از پرفرين‌هايي به شكل آب‌نبات چوبي (كه از مشتقات كلروفيل مي‌باشد) براي ذخيرة الكترون استفاده مي‌شود. در انتهاي اين مولكول‌ها قطعه‌اي وجود دارد كه مي‌تواند خم شده و به هر سطحي متصل شود (همانند شكل). فناوري زتاکور از لحاظ مقياس بايد بسيار كوچك‌تر از DRAMها باشد، چرا كه در اين روش مولكول‌ها به طور فشرده به هم بسته شده و از تك‌تك آنها براي ذخيرة بار استفاده مي‌شود. همچنين اين شركت موفق به توليد حافظه‌هاي مولكولي 1Mb شده و ميزان تحمل آن را تا بيش از يك تريليون (1012) چرخه مورد آزمايش قرار داده‌اند. اگرچه قابليت مولكول‌هاي ساخت اين شركت متغير است اما هدف اوليه زتاکور بهينه‌سازي سرعت اين مولكول‌هاي حافظه به جاي قدرت نگهداري آنها است. بنابراين لازم است تا تراشه‌هاي توليدي اين شركت به طور متناوب و البته به ميزاني كمتر از DRAM و SRAM شارژ شوند تا بتوانند اطلاعات داخل خود را نگه‌دارند. هدف از اين كار توليد حافظه‌هايي با همان سرعت SRAM است با اين تفاوت كه كوچكتر بوده و مصرف كمتري هم دارند.

حافظه‌هاي زتاکور از مولكول‌هاي پرفيرن آب نبات شكل براي ذخيره الكترون‌ها استفاده مي‌كند و براي اين كار از ميله‌اي استفاده مي‌شود كه مي‌توان آن را طوري طراحي نمود كه خودبخود به الكترود متصل شود.

رقابت‌هاي اقتصادي كاربرد اين فناوري‌ها در خارج از محيط آزمايشگاه و در كاربردهاي واقعي مي‌تواند نقطة عطفي به شمار آيد. اما به عقيده تحليلگران مشكلات اقتصادي كه در اين راه وجود دارند هم بايد مدنظر قرار گيرد. قيمت فناوري حافظه‌هاي متداول امروزي به سرعت در حال كاهش است و رقباي جديد در اين عرصه با مشكلات جدي مواجه‌اند مگر آنكه فعالان فعلي دست از پيشرفت بردارند، كه البته حتي در آن صورت هم معلوم نيست كه آيا فناوري‌هاي نانوي جديد بتوانند بر مشكلاتي غلبه كنند، كه در راه كوچك‌كردن ترانزيستورها و اجزاي چاپ وجود دارد مشكلاتي كه مي‌تواند فناوري‌هاي فعلي را هم از كار باز دارد. اما با وجود اين، به عقيدة باب مريت تحليلگر مسائل ادغام بازارها، كه براي شركت Semico Research كار مي‌كند، اگر آن گونه كه وعده داده شده فناوري نانوحافظه به مرحله عمل برسد، هنوز فرصت‌هايي براي تجاري‌سازي آن وجود دارد و مي‌توان فرآيند توليد آنها را با روند توليد تراشه‌هاي CMOS استاندارد ادغام نمود (كاري كه نه DRAM و نه حافظه‌هاي فلش قادر به انجام آن هستند) البته اين فقط حافظه نيست كه اهميت دارد بلكه توانايي تركيب آن با مدار منطقي در همان فرآيند است كه اهميت دارد و كار بيشتري مي‌خواهد اينكه بتوان ساير حافظه‌هاي جايگزين را با CMOS ادغام نمود مطلبي است كه هنوز به اثبات نرسيده است. با اهميت‌يافتن الكترونيك قابل حمل، تأمين برق مصرفي آنها و نيز كاهش اندازة آنها هم اهميت يافته و سازندگان تراشه را مجبور مي‌كند تا تعداد بيشتري حافظه و مدار منطقي را در يك تراشه واحد با هم تركيب كنند. به عقيده دانشمندان نمونه جديدي از صنعت تراشه در حال شكل‌گيري است كه در آن تركيبات جديدي از حافظه و مدارمنطقي وجود داشته و نهايتاً منجر به ساخت گسترده و وسيع پردازشگرهاي جديد و معماري‌هاي جديد حافظه مي‌گردد. اما از طرف ديگر بايد توجه داشت كه غالباً ايجاد بازارهاي غيرمنتظره است كه مي‌تواند باعث موفقيت يا شكست يك فناوري جديد در زمينه توليد حافظه شود. در مورد حافظه‌هاي فلش، تلفن‌هاي همراه چنين بازار غيرمنتظره‌اي را پديد آورند اما در مورد نانوحافظه‌ها چه چيزي خواهد توانست اين كار را انجام دهد؟ لذا لازم است براي هر فناوري جديد يك سؤال اساسي را از خود بپرسيم: و آن اينكه "كاربرد اساسي و تأثيرگذار اين فناوري جديد چيست؟ آيا حافظه‌هاي ساخته‌شده براساس فناوري نانو مي‌توانند رقابتي جدي در زمينه روش‌هاي توليد تراشه‌هاي حافظه ايجاد نمايند؟"

با گذر از ميكروذرات به نانوذرات، با تغيير برخي از خواص فيزيكي روبرو مي‌شویم، كه دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات كوانتومي. افزايش نسبت مساحت سطحي به حجم كه به‌تدريج با كاهش اندازه ذره رخ مي‌دهد، باعث غلبه‌يافتن رفتار اتم‌هاي واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌هاي دروني مي‌شود. اين پديده بر خصوصيات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با ديگر مواد اثر مي‌گذارد. مساحت سطحي زياد، عاملي كليدي در كاركرد كاتاليزور‌ها و ساختارهايي همچون الكترودها- يا افزايش كارآيي فناوري‌هايي همچون پيل سوختي و باتري‌ها- مي‌باشد. مساحت سطحي زياد نانوذرات باعث تعاملات زياد بين مواد مخلوط‌شده در نانوكامپوزيت‌ها مي‌شود و خواص ويژه‌اي همچون افزايش استحكام يا افزايش مقاومت حرارتي يا شيميايي را موجب مي‌شود.

شكل 1: قطرات آب روي يك سطح چوبي فرآوري شده با «اسپري نيلوفر آبي» شركت BASF. اين روكش حاوي تركيب نانوذرات با پليمرهاي آبگريز است. با تشكر از BASF، آلمان.

از مكانيك كلاسيك به مكانيك كوانتومي به صورتي ناگهاني‌تر رخ مي‌دهد. به محض آن كه ذرات به اندازه كافي كوچك شوند، شروع به رفتار مكانيك كوانتومي مي‌كنند. خواص نقاط كوانتومي مثالي از اين دست است. اين نقاط گاهي اتم‌هاي مصنوعي ناميده مي‌شوند؛ چون الكترون‌هاي آزاد آنها مشابه الكترون‌هاي محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازي از انرژي را اشغال مي‌كنند. علاوه بر اين، كوچك‌تربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحراني نور، آنها را نامرئي و شفاف مي‌نمايد. اين خاصيت باعث شده است تا نانوذرات براي مصارفي چون بسته‌بندي، مواد آرايشي و روكش‌ها مناسب باشند. برخي از خواص نانوذرات با درك افزايش اثر اتم‌هاي سطحي يا اثرات كوانتومي به‌راحتي قابل پيش‌بيني نيستند. مثلاً اخيراً نشان داده شده است كه «نانوكره‌هاي» به‌خوبي شكل‌يافتة سيليكون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نه‌تنها سخت‌تر از سيليكون مي‌باشند بلكه از نظر سختي بين سافير و الماس قرار مي‌گيرند. نانوذرات از زمان‌هاي بسيار دور مورد استفاده قرار مي‌گرفتند. شايد اولين استفاده آنها در لعاب‌هاي چيني سلسله‌هاي ابتدايي چين بوده است. در يك جام رومي موسوم به جام ليكرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ‌هاي متفاوتي از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو يا عقب) پديد آيد. البته علت چنين اثراتي براي سازندگان آنها ناشناخته بوده است. كربن بلك مشهورترين مثال از يك ماده نانوذره‌اي است كه ده‌ها سال به طور انبوه توليد شده است. حدود 5/1 ميليون تن از اين ماده در هر سال توليد مي‌شود. البته نانوفناوري راهي براي استفادة آگاهانه و آزادانه از طبيعت نانومقياس ماده است و كربن بلك‌هاي مرسوم نمي‌توانند برچسب نانوفناوري را به خود بگيرند. با اين حال قابليت‌هاي توليد و آناليز جديد در نانومقياس و پيشرفت‌هاي ايجادشده در درك نظري رفتار نانومواد- كه قطعاً به معناي نانوفناوري است- مي‌تواند به صنعت كربن بلك كمك نمايد. نانوذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي‌شوند؛ معمول‌ترين آنها نانوذرات سراميكي مي‌باشد، كه به بخش سراميك‌هاي اكسيد فلزي- نظير اكسيد‌هاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن- نانوذرات سيليكات كه عموماً به شكل ذرات نانومقياسي خاك رس مي‌باشند، تقسيم مي‌شوند. طبق تعريف حداقل بايد يكي از ابعاد آنها كمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سراميكي فلزي يا اكسيد فلزي تمايل به داشتن اندازة يكساني در هر سه بعد، از دو يا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممكن است شما انتظار داشته باشيد كه چنين ذرات كوچكي در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسيلة نيروهاي الكتروستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي‌كنند). نانوذرات سيليكاتي كه در حال حاضر مورد استفاده قرار مي‌گيرند ذراتي با ضخامت تقريباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سال‌ها پيش از اين توليد مي‌شده‌اند، معمول‌ترين نوع خاك رس كه مورد استفاده قرار مي‌گيرد مونت‌موريلونيت (Montmorillonite)، يا آلومينوسيليكات لايه‌اي مي‌باشد. نانوذرات مي‌توانند با پليمريزاسيون يا به وسيلة آميزش ذوبي (اختلاط با يك پلاستيك مذاب) با پليمرها تركيب شوند. براي پلاستيك‌هاي ترموست اين يك فرآيند يك‌ طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محكم و سفت مي‌شوند و نمي‌توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستيك‌ها مي‌توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند. نانوذرات فلزي خالص مي‌توانند بدون اينكه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهاي پائين‌تر از دماي ذوب ذرات بزرگ‌تر، وادار به آميخته شدن با يك جامد شوند؛ اين كار منجر به سهل‌تر شدن فرآيند توليد روكش‌ها و بهبود كيفيت آنها، خصوصاً در كاربردهاي الكترونيكي نظير خازن‌ها، مي‌گردد. نانوذرات سراميكي اكسيد فلزي نيز مي‌توانند در ايجاد لايه‌هاي نازك- چه بلوري و چه آمورف- مورد استفاده قرار گيرند. نانوذرات سراميكي نيز مي‌توانند، مانند نانوذرات فلزي، در دماهاي كمتر از دماي همتاهاي غير نانومقياسي خود به سطوح و مواد توده‌اي تبديل شوند و هزينة ساخت را كاهش دهند. سيم‌هاي ابررسانا از نانوذرات سراميكي ساخته مي‌شوند؛ چون در حالي كه مواد سراميكي متعارف بسيار شكننده هستند، مواد سراميكي نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes اي نسبتاً انعطاف‌پذيرند. یک زمینة بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکش‌های نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می گیرد. مثلاً نیروی دریایی آمریکا هم اکنون از سرامیک‌های نانوبلورین استفاده می کند. اگر چه نانوذرات سراميكي اكسيد فلزي، فلزي و سيليكاتي با كاربردهاي كنوني و پيش‌بيني شده بخش اعظم نانوذرات را تشكيل مي‌دهند، اما نانوذرات بسيار ديگري نيز وجود دارند. ماده‌اي به نام كيتوسان (Chitosan)، كه در حالت دهنده‌هاي مو و كرم‌هاي پوست مورد استفاده قرار مي‌گيرد، از نانوذرات ساخته شده‌ است. اين فرآيند در اواخر سال 2001 ثبت شد. اين نانوذرات جذب را افزايش مي‌دهند. روش‌هاي توليد براي توليد نانوذرات روش‌هاي بسيار متنوعي وجود دارد. اين روش‌ها اساساً به سه گروه تقسيم مي‌شوند: چگالش از يک بخار، سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد نظير آسياب كردن. پس از توليد مي‌توان ذرات را بسته به نوع كاربردشان مثلاً با مواد آب دوست يا آب گريز پوشاند. چگالش بخار از اين روش براي ايجاد نانوذرات سراميكي فلزي و اكسيد فلزي استفاده مي‌شود. اين روش شامل تبخير يك فلز جامد و سپس چگالش سريع آن براي تشكيل خوشه‌هاي نانومتري است كه به صورت پودر ته‌نشين مي‌شوند. از روش‌هاي مختلفي مي‌توان براي تبخير فلز استفاده نمود و تغيير دستگاهي كه امكان تبخير را به وجود مي‌آورد، طبيعت و اندازة ذرات را تحت تأثير قرار مي‌دهد. در هنگام ايجاد نانوذرات فلزي براي جلوگيري از اكسيداسيون از گازهاي بي‌اثر استفاده مي‌شود، حال آنكه براي توليد نانوذرات سراميكي اكسيدفلزي از اكسيژن هوا استفاده مي‌شود. مهم‌ترين مزيت اين روش ميزان كمي آلودگي است. در نهايت اندازة ذره با تغيير پارامترهايي نظير دما و محيط گاز و سرعت تبخير كنترل مي‌شود. يك روش كه شايد در اصل، چگالش بخار نباشد روش سيم انفجاري است كه از آن توسطArgonide استفاده مي‌كند. به خاطر اينكه سيم فلزي در اثر انفجار به خوشه‌هاي فلزي تبديل ‌شود جريان برقي با ولتاژ بالا به آن اعمال مي‌شود (مشابه دميدن با يك مفتول به درون حباب شيشه‌اي مذاب). اين كار در يك گاز بي‌اثر انجام مي‌شود كه سريعاً ‌ذرات را فرو مي‌نشاند. نوع ديگري از روش چگالش بخار، روش تبخير در خلأ بر روي مايعات روان (Vaccum Evaporation on Running Liquids) است. در اين روش از فيلم نازكي از مواد نسبتاً‌ ويسكوز- يك روغن يا پليمر- در يک استوانة دوار استفاده مي‌شود. در اين دستگاه، خلأ ايجاد مي‌شود و فلز مورد نظر در خلأ ‌تبخير يا پراكنده مي‌شود؛ ذرات معلقي كه در مايع تشكيل مي‌شوند، مي‌توانند به اشكال مختلفي رشد يابند. توشيبا با استفاده از رسوبدهي شيميايي بخار (CVD) كه عموماً براي توليد فيلم‌هاي نازك در صنعت مدارات مجتمع به كار مي‌رود، روش جديدي را براي توليد نانوذرات توسعه داده است. هر دو شكل مايع و گاز در يك رآكتور قرار داده مي‌شود. برحسب پارامترهاي مختلف (مثل نسبت گاز به مايع، نحوة افزايش گاز و مايع،‌ دما و زمان حرارت‌دهي) اشكال مختلفي از ذرات را مي‌توان توليد كرد. همسان‌بودن نانوذرات در برخي از كاربردها از اهميت زيادي برخوردار است؛ مثلاً جهت استفاده از نانوذرات در ديسك‌هاي ذخيره داده لازم است همه آنها هم‌اندازه باشند. اين شركت فرآيند خود را با اكسيد تيتانيوم آزمايش كرده و نانوكره‌هايي با ابعاد nm100-1 پديد آورده است. همچنين با پوشش‌دادن يكي از آنها با چندين ذره، خوشه‌اي از ذرات را ساخته است. سنتز شيميايي عمدتاً استفاده از روش سنتز شيميايي شامل رشد نانوذرات در يك واسطة مايع، حاوي انواع واكنشگرهاست. روش سل ژل نمونة چنين روشي است. از اين روش براي ايجاد نقاط كوانتومي نيز استفاده مي‌شود. به طور كلي براي كنترل شكل نهايي ذرات، روش‌هاي شيميايي بهتر از روش‌هاي چگالش بخار هستند. در روش‌هاي شيميايي، اندازة نهايي ذره را مي‌توان يا با توقف فرآيند در هنگامي كه اندازة مطلوب به دست آمد، يا با انتخاب مواد شيميايي تشكيل‌دهندة ذرات پايدار؛ و يا توقف رشد در يك اندازة ‌خاص، كنترل نمود. اين روش‌ها معمولاً‌ كم هزينه و پر حجم هستند، اما آلودگي حاصل از مواد شيميايي مي‌تواند يك مشكل باشد و مي‌تواند يكي از استفاده‌هاي رايج نانوذرات، يعني پخت آنها براي ايجاد روكش‌هاي سطحي، را دچار مشكل نمايد. فرآيند‌هاي حالت جامد از روش آسياب يا پودر كردن مي‌توان براي ايجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثير نوع مادة آسياب‌كننده، زمان آسياب و محيط اتمسفري آن قرار مي‌گيرد. از اين روش مي‌توان براي توليد نانوذراتي از مواد استفاده نمود كه در دو روش قبلي به آساني توليد نمي‌شوند. آلودگي حاصل از مواد آسياب‌كننده خود مي‌تواند يك مسئله باشد. پيشرفت‌هاي روش‌هاي توليد هر چه بازار نانوذرات در عرصه فناوري‌هاي پيشرفته- همچون صنعت كامپيوتر و داروسازي- توسعه مي‌يابد، تقاضا براي نانوذرات داراي اندازه و يا شكل تعريف‌شده در مقياس انبوه و قيمت اندك افزايش مي‌يابد. اين روند موجب اصلاح مداوم فناوري‌هاي توليدي موجود و پيشرفت‌ روش‌هاي توليدي نوين مي‌گردد. در دو سال گذشته، محققان شروع به استفاده از سيالات فوق بحراني (SCFها) به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزي كرده‌اند. فرآيندهاي ته‌نشيني با سيالات فوق بحراني باعث توليد ذراتي با توزيع اندازه باريك مي‌گردد. گازها در بالاي فشار بحراني (Pc) و دماي بحراني (Tc) به سيالات فوق بحراني تبديل مي‌شوند. SCFها واجد خواصي مابين گاز و مايع مي‌باشند. عموماً به دليل شرايط نسبتاً ملايم CO2 (C31ْ bar, Tc=73Pc=) از آنها استفاده مي‌شود. ضمن آنكه مشكلاتي همچون گراني، سميت، خورندگي و قابليت انفجار و احتراق را ندارند. يك راه اصلاح فناوري سيال فوق بحراني مخلوط‌نمودن عوامل فعال سطحي با محلول آبي يك نمك فلزي در CO2 فوق بحراني است. اين فرآيند به توليد ميكروامولسيون‌ها منجر مي‌شود كه در زمرة نانورآكتورهاي بالقوه براي سنتز نانوذرات بسيار همگن به شمار مي‌روند. Sumitomo Electric اخيراً يك فرآيند رسوبدهي الكتريكي‌اي را توسعه داده است كه طي آن يون‌هاي فلزي در يك حلال آبي حل شده، سپس به صورت نانوذرات فلزي احيا مي‌شوند. اين شركت مدعي است فرآيند او در مقايسه با راهكارهاي رسوبدهي شيميايي بخار بسيار اقتصادي و به‌صرفه است. روش‌هاي توليد نوين ديگري نيز گزارش شده‌اند، كه بر استفاده از امواج مايكرويو، مافوق صوت، و تقليد از طبيعت استوارند. به دليل قابليت سيستم‌هاي طبيعي در خلق نانوساختارهاي داراي دقت اتمي، فرآيندهاي زيستي شايسته امعان نظرند. برخي از باكتري‌ها مي‌توانند نانوذرات مغناطيسي يا نقره‌اي را بسازند. از پروتئين‌هاي باكتريايي براي رشد مگنتيت در آزمايشگاه استفاده شده است. سلول‌هاي مخمر مي‌توانند نانوذرات سولفيد كادميوم را ايجاد كنند. به‌تازگي محققان هندي قارچي را يافته‌اند كه مي‌تواند نانوذرات طلا را خلق كند. عده‌اي در آمريكا از پروتئين‌هاي ويروسي براي خلق نانوذرات نقرة داراي شكل‌هاي جذاب استفاده كرده‌اند. پيوستگي بين راهكارهاي تقليدگرايانه از طبيعت و سنتز شيميايي با حلقة مياني ماكرومولكول‌هايي همچون درخت‌سان‌ها تكميل مي‌شود. از اين مواد براي ساخت نانوذرات آمورف كربنات كلسيم- يك ماده كليدي در سيستم‌هاي زيستي- استفاده شده است. روكش دهي و اصلاح شيميايي روكش‌دهي يا اصلاح شيميايي انواع نانوذرات شيوه‌اي رايج و زمينه‌اي است كه نوآوري‌هاي جديد و ارزشمندي را ارائه مي‌دهد. نانوذرات سيليكات(سيليكات‌ها يا اكسيد‌هاي سيليكون نيز سراميك هستند) براي به دست آوردن خاصيت آب گريزي بيشتر، بايد به صورت شيميايي اصلاح شوند؛ مثلاً با يون‌هاي آمونيوم يا مولكول‌هاي بزرگ‌تر نظير سيلسزكيوكسان‌هاي اليگومريك چندوجهي (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes)، كه هم براي روكش‌دهي نانوذرات سيليكات و هم به عنوان پركنندة روي خودشان مناسب هستند. POSS حاوي يك هستة معدني (سيليكون- اكسيژن) و هشت گروه جانبي مختلف آلي است، كه اين گروه‌ها نوعاً‌ داراي شعاع 5/1 نانومتر هستند و مي‌توانند به آسان‌ترشدن پيوند پليمرها به يكديگر كمك كنند و براي پيوند پروتئين آغازگر به زيست‌مواد، نويدبخش باشند. گاهي اوقات POSSها جزء نانوذرات طبقه‌بندي مي‌شوند. فروسيالات، كه در اوايل دهة 1960 ساخته شدند، از نانوذراتي مغناطيسي به كوچكي 10 نانومتر استفاده مي‌كنند كه با يك مادة پايداركننده همانند گرافيت پوشانده مي‌شوند و در حاملي نظير روغن، آب يا نفت سفيد معلق مي‌شوند. هر ذره، آهن‌رباي كوچكي است كه يك ميدان مغناطيسي را به ذرات اعمال و رفتاري غيرمعمولي را در سيال ايجاد مي‌كند و اجازة كنترل فشار، ويسكوزيته، هدايت الكتريكي، هدايت گرمايي و ضريب انتقال نور را در سيال مي‌دهد. جذب انرژي از محيط به صورت حرارت مي‌باشد و لذا اين سيالات را مي‌توان به عنوان سردساز مورد استفاده قرار داد.

با توجه به اندازه گزارش به صورت pdf قابل دريافت است ()

منبع :سايت نانو

با توجه به حجم گزارش به صورت pdf قابل دريافت است () درخت صنعت نانو

منبع :سايت نانو

ذرات اكسيد روي خواصي مانند نيمه رسانايي، پيزوالكتريك و پيروالكتريك از خود نشان مي‌دهند. اين خواص بي‌نظير باعث مي‌شود كه ذرات اكسيد روي يكي از غني‌ترين مواد نانوساختاري باشند. با استفاده از روش تصعيد حرارتي فاز جامد- بخار، تحت شرايط ويژه،‌ مي‌توان نانوشانه‌ها، نانوحلقه‌ها، نانوفنرها،‌ نانوتسمه‌ها، نانوسيم‌ها و نانوقفسه‌هايي از اكسيد روي ايجاد كرد. اين نانوساختارها به دليل داشتن خاصيت زيست سازگاری مي‌توانند كاربردهاي جديدي در الكترونيك‌نوري، حسگرها،‌ ترانسفورماتورها و پزشكي داشته باشند.
هنگامي كه در سال 2001 نانوتسمه‌هاي نيمه‌رسانا كشف شدند‌ تحقيقات بر روي نانوساختارهايي كه حداقل داراي يك بعد نانومتری مي‌باشند به سرعت توسعه پيدا كرد، زيرا اين مواد كاربردهاي وسيع و جديدي در اپتيك، الكترونيك نوري،‌ كاتاليزورها و پيزوالكترويك دارند. نانوتسمه‌هاي اكسيدي نيمه‌رسانا گروه بي‌نظيري از مواد با تركيب شيميايي و ساختارهاي بلوري جالب مي‌باشند.
نانوتسمه‌ها از اكسيدهاي نيمه‌رساناي روي، قلع، كادميم و گاليم و با استفاده از تبخير پودرهاي تجاري اكسيد اين فلزات در دماي بالا حاصل مي‌شوند. اين نانوتسمه‌ها خالص، يك شكل و داراي بلورهاي منفرد مي‌باشند. ساختار هندسي ويژه اين شبه‌تسمه‌ها باعث ايجاد بلورهاي اكسيدي نيمه‌رسانا با كاتيون‌هايی با ظرفيت متفاوت و خواص جالب درآنها مي‌شود.
ترانزيستورهاي اثر ميداني، حسگرهاي نانومقياس بسيار حساس گازها و نانوحامل‌هاي ساخته شده از نانوتسمه‌هاي منفرد، نمونه‌اي از آنها مي‌باشند. انتقال حرارتي نيز در طول نانوتسمه‌ها اندازه‌گيري شده است. به علت خاصيت پيزوالكتريكي نانوحلقه‌ها، نانوتسمه‌ها و نانوفنرهاي سنتزي اخير مي‌توان از آنها در كاهنده‌ها، افزاينده‌ها و حسگرهاي نانومقياس استفاده كرد.
در بين اكسيدهاي كاركردي (Functional)، پروسكيت، دوتيل، فلوئوريد‌كلسيم و ورتزيت، اكسيد روي تنها ماده‌اي است كه هر دو ويژگي پيزوالكتريكي و نيمه‌رسانايي را از خود نشان مي‌دهد. اين ماده ساختارهاي گوناگوني دارد كه بسيار غني‌تر از انواع نانومواد شناخته شده مانند نانولوله‌هاي كربني مي‌باشند. با استفاده از روش تصعيد حرارتي حالت جامد و با كنترل سرعت رشد، دماي رشد موضعي و تركيب شيميايي مواد مي‌توان دستة وسيعي از نانوساختارهاي اکسيدروي را سنتز كرد.
نانوحلزون‌ها، نانوفنرها و نانوحلقه‌هاي يكپارچه و بدون درز
‌اکسيدروي، نيتريد‌گاليم، نيتريد‌آلومينيم، سولفيد‌روي و سلنيد‌كادميم، چند عضو مهم از خانواده ورتزيت مي‌باشند كه در ساخت مواد پيزوالكتريك، الكترونيك نوري و ليزر اهميت و كاربرد فراوان دارند.
دو ويژگي مهم اين خانواده تقارن غيرمركزي و سطوح قطبي آنها مي‌باشد. به عنوان مثال اكسيد روي تركيبي است كه به خوبي مي‌تواند طرز قرارگرفتن كاتيون‌هاي Zn2+ را در كنار آنيون‌هاي O2- در يك تركيب چهار وجهي نشان دهد. اين يون‌ها طوري قرار گرفته‌اند كه بار مثبت در سطح Zn-(0001) و بار منفي در سطح O-(000ī) قرار گرفته است. در نتيجه يك دو قطبي در طول محور مركزي به وجود مي‌آيد و باعث ايجاد اختلاف سطح انرژي بين سطوح مي‌شود.
با كنار هم قراردادن مواد اوليه و با در نظر گرفتن بعضي ناخالصي‌ها مانند اينديم مي‌توان نانوحلقه‌هاي اكسيد روي را سنتز كرد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) به طور كاملاً واضح شكل حلقه‌ها را با سطوح يكسان نشان مي‌دهد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني‌ تونل‌زني(TEM) نيز نشان مي‌دهد كه نانوحلقه‌ها به صورت تك‌بلوري و دايره‌اي هستند. اين ساختارهاي تك‌بلوري به معني تشکیل نانوحلقه‌هاي کامل از روبان تك‌بلوري مي‌باشد. نانوحلقه نتيجه حلقه‌اي‌شدن هم‌بافت و هم‌محور نانوتسمه‌ها مي‌باشد.
رشد ساختارهاي نانوحلقه‌اي را مي‌توان با در نظر گرفتن سطوح قطبي نانوتسمه‌هاي ‌اكسيد روي درك كرد. نانوتسمة قطبي كه سازندة نانوحلقه‌ها است در طول ‍[1010] و روي سطح ‍[1210]± و در بالا / پايين سطوح ‍[0001]+ رشد مي‌كند كه پهناي 15 نانومتر و ضخامت 10 نانومتر دارند. نانوتسمه‌ها در بالا و پايين سطوح خود بارهاي قطبي دارند. اگر بارهاي سطحي در طول رشد خنثي نشوند، نانوتسمه براي كم كردن بار سطحي به درون خودش پيچ مي‌خورد. يك روش ممكن، قراردادن سطح Zn-(0001) با بار مثبت برروي سطحO-(000ī) با بار منفي مي‌باشد، در نتيجه بارهاي قطبي موضعي خنثي و باعث كاهش بارهاي سطحي مي‌شوند و از روي هم‌قرارگرفتن انتهاي اين نانوتسمه‌ها يك حلقه تشكيل مي‌شود. شعاع حلقه ممكن است در نتيجة بسته شدن اوليه نانوتسمه تعيين شود، اما اندازه حلقه جهت كاهش انرژي تغيير شكل الاستيك نمي‌تواند خيلي كوچك باشد. انرژي نهايي وابسته به عواملي مانند بارهاي قطبي، وسعت سطحي و انرژي تغيير شكل الاستيك مي‌باشد. طول زياد بر همكنش الكترواستاتيك، نيروي اولية پيشران براي بسته شدن نانوتسمه است كه در نتيجه اولين دايره تشكيل مي‌شود.
نانوتسمه در طول رشد مي‌تواند به خاطر برهم‌كنش‌هاي الكترواستاتيك به صورت يك نوار برروي يك نانوحلقه كشيده شود، تا بارهاي قطبي موضعي را خنثي كرده، ناحيه سطحي را كاهش دهد. در نتيجه ساختارهاي نانوحلقه‌اي هم‌محور، چنددايره‌اي و هم‌مركز تشكيل‌مي‌شود. خودآرايي فرآيندي خود به خودي است كه يك نوار به دور خود مي‌پيچد و يك نانوتسمه رشد مي‌كند. كاهش ناحيه سطحي و تشكيل پيوندهاي شيميايي (نيروهاي نزديك) بين دايره‌ها،‌ ساختارهاي دوار پايدار را ايجاد مي‌كند. پهناي نانوحلقه، با حلقه‌ شدن بيشتر دايره‌ها حول محور نانوحلقه و قرار گرفتن هم جهت آنها در جهت محور نانوحلقه افزايش مي‌يابد.

شکل 1- مدل رشد متناسب نانوحلقه

زماني كه رشد در محدودة دمايي ˚C 400-200 انجام شود، با اتصال دايره‌هايي از نانوتسمه به وسيلة پيوندهاي شيميايي به همديگر ساختارهاي نانوحلقه‌اي استوانه‌اي تك‌بلوري تشكيل مي‌شود. قرارگرفتن حلقه‌ها كنار همديگر از نظر انرژي كاملاً مساعد است زيرا بارهاي قطبي درون حلقه‌ها كاملاً خنثي مي‌شوند. اين مدل رشد در شکل (1) نشان داده شده است.
نانوتسمه‌هاي داراي بار سطحي (شکل 2) مي‌توانند به صورت دو صفحة موازي به عنوان خازن به كار روند.

شکل 2- مدل نانوتسمه قطبي

يك نانوتسمة قطبي تمايل دارد جهت كاهش انرژي الكترواستاتيك به صورت رول درآيد. شكل حلزوني يا مارپيچ نيز مي‌تواند انرژي الكترواستاتيك را كاهش دهد (شکل 3).
اگر بار سطحي در طول رشد خنثي نشود، قطبش خود به خودي، كه نتيجه ممان دوقطبي است، انرژي الكترواستاتيك را كاهش مي‌دهد، اما تشكيل رول يا حلقة بسته مي‌تواند ممان دو قطبي را كاهش دهد يا‌ آن‌را كاملاً خنثي كند، در نتيجه انرژي الكترواستاتيك كاهش مي‌يابد.
از طرف ديگر خم‌كردن نانوتسمه انرژي الاستيك ايجاد مي‌كند. اگر نانوتسمه‌ها به صورت دايره به دايره رول شوند، نيروي دافعه بين سطوح قطبي در تمام طول نانوفنر ادامه دارد،‌ در حالي‌كه نيروي تغيير شكل الاستيك، دايره‌ها را به سمت همديگر مي‌كشد. نانوحلزون‌ها متحدالشكل و با شعاع 500 تا 800 نانومتر هستند و از نانوتسمه تك‌بلوري اکسيد روي ساخته شده‌اند.
نانوفنرها و نانوحلقه‌هاي تك‌بلوري ساخته شده از نانوتسمه‌اي ‌اکسيدروي، ساختارهاي القايي خود به خودي قطبي دارند، كه نتيجة چرخش 90 درجه در قطبيت مي‌باشد. اين گونه ساختارها ايده‌آل‌ترين حالت براي درك پيزوالكتريکي و پديدة القاي قطبيت در مقياس نانو مي‌باشند. ساختارهاي نانوتسمه‌اي پيزوالكترويك مي‌توانند در حسگرها، ترانسفورماتورها و تشديدكننده‌هاي داراي نانومقياس به‌كار روند.
نانوملخ‌هاي مرتب
تغيير تركيب مواد اوليه به طور مؤثري شكل نانوساختارهاي اكسيد روي را تغيير مي‌دهد. در اين جا از مخلوطي از پودرهاي ‌اکسيدروي و اكسيد‌قلع با نسبت وزني 1:1 به عنوان مواد اوليه براي رشد نانوساختارهاي پيچيده اكسيد‌روي استفاده شده است. شكل (4) تصوير مواد سنتز شده را نشان مي‌دهد كه شامل مجموعه‌اي از نانوسيم‌هاي هم‌محور مي‌باشد كه توسط نانوساختارهاي با شكل بچه وزغ احاطه شده‌اند. رشته‌ها به شكل(liana) هستند در حالي‌كه نانوسيم‌ها به شكل nattan (چوب‌خيزران) مي‌باشند

.

شکل 3- توليد نانومارپيچ از نانوتسمه قطبي

اين نانوسيم‌ها پيوندهاي عرضي (جانبي) با ابعاد چند ده نانومتر دارند. در نوك شاخه‌هاي شبه‌وزغ، توپ‌هاي كروي قرار دارند و شاخه‌ها به شكل يك نوار (روبان) مي‌باشند. نوارهاي حاصله تقريباً ضخيم و داراي سطح زبر مي‌باشند. دومين رشد بر روي سطوح نانو ملخي باعث رشد نانوسيم‌هاي مرتب مي‌شود.‌ اكسيد‌قلع در دماي بالا به ‌قلع و اكسيژن تجزيه مي‌شود بنابر اين نانوسيم‌ها و نانونوارها از فرآيند رشد بخار- مايع- جامد (VLS) حاصل مي‌شوند، كه ذرات كاتاليزوري‌ قلع به عنوان آغازگر و هدايت‌كنندة رشد نانوسيم‌ها و نانونوارها عمل مي‌كنند. رشد ساختارهاي جديد مي‌تواند طي دو مرحله انجام شود، مرحلة اول شامل رشد محوري نانوسيم‌هاي اكسيد روي حول ‍[0001] مي‌باشد. سرعت رشد بسيار بالاست، كه افزايش خيلي كمي در اندازة قطرات قلع دارد كه تأثير بسياركوچكي بر اندازة نانوسيم مي‌گذارد

.

شکل 4- آرايه‌هاي ملخي از اکسيد روي

بنابراين محور نانوسيم تقريباً شكل يكنواخت در جهت محور رشد دارد. مرحله دوم هسته‌زايي و رشد هم‌بافت يك نانوروبان است كه نتيجة رسيدن قطرات قلع بر روي سطح نانوسيم اكسيد‌روي مي‌باشد. اين مرحله خيلي كندتر از مرحله اول است، زيرا طول نانوروبان كوتاه‌تر از نانوسيم است.
هنگامي كه قلع به حالت مايع و دماي محيط در حد دماي رشد باشد تمايل دارد كه ذرات قلع را جذب و ذرات با اندازة بزرگ‌تر تشكيل دهد

.

شکل 5- رشد آرايه‌هاي ملخي از اکسيد روي

بنابراين پهناي نانوروبان افزايش مي‌يابد و اندازة ذرات قلع روي نوک آن بزرگ‌تر مي‌شوند، درنتيجه ساختارهاي شبه وزغ حاصل در زير دستگاه TEM مشاهده مي‌شوند (شکل 5).
الگوي رشد نانوسيم‌هاي مرتب
الگوي رشد مرتب نانوساختارهاي يك بعدي براي كاربرد در حسگرها، الكترونيك نوري و نشر ميداني داراي اهميت و كاربرد مي‌باشد. رشد مرتب نانوميله‌هاي ‌اكسيد‌روي، روي بستر جامد با فرآيند VLS و با استفاده از قلع و طلا به عنوان آغازگر و هدايت كنندة واكنش با موفقيت انجام شده است. جهت‌گيري هم‌بافت (‌epitaxial) نانوميله‌ها و بستر باعث رشد هم‌راستا مي‌شود. در روش‌هاي ديگر به جاي استفاده از كاتاليزور، از رشد هم‌بافت فاز بخار تركيبات آلي – فلزي، رشد مبتني بر قالب و مرتب كردن تحت ميدان الكتريكي،‌ براي رشد هم‌راستا عمودي نانوميله‌هاي ‌اكسيد‌روي استفاده مي شود.
Huang و همكارانش روشي را شرح داده‌اند كه در آن با استفاده از كاتاليزور و نانولوله‌هاي كربني نانوميله‌هاي هم‌راستا توليد مي‌شوند. در اين روش نانوميله‌هاي هم‌راستا با استفاده از خودآرايي كره‌هاي زيرميكروني و ماسك حاصل مي‌شوند. در روشي ديگر نيز با ادغام روش ماسك مبتني بر خودآرايي و روش هم‌بافت سطحي آرايه‌هاي شش وجهي با محدوده بزرگ، نانوميله‌هاي هم‌راستاي ‌اكسيد‌روي به دست مي‌آيد.

شکل 6- تصوير SEM از نانوسيم‌هاي متخلخل اکسيد روي که بر روي سيليکون با پوشش قلع رشد کرده‌اند

سنتز شامل سه مرحله مهم است: آرايه‌هاي نانوميله‌اي شش وجهي منتظم ‌اكسيد‌‌روي بر روي سابستريت تك‌بلوري اكسيد‌آلومينيم كه ذرات طلا به عنوان كاتاليزور در آن پخش شده‌اند رشد مي‌كنند. ابتدا‌ تك‌لايه‌هاي خودآرا، مرتب، دوبعدي و با مقياس بزرگ از كره‌هاي پلي‌استايرن با اندازة زيرميكرون حاصل شدند كه به بستر اكسيد‌آلومينيم تك بلوري متصل شدند. دوم يك لايه نازك از ذرات طلا بر روي تك لايه‌هاي خودآرا رسوب داده شده‌اند، سپس كره‌ها با روش حکاکی (eatch) كردن از آرايه‌هاي كاتاليزوري طلا جدا مي‌شوند. سرانجام نانوسيم‌ها با استفاده از روش VLC رشد مي‌كنند. شکل 5 نحوة توزيع ذرات كاتاليزور، الگوي نانوسيم را مشخص مي‌كند. اين مرحله مي‌تواند با استفاده از فناوري‌هاي متعدد ماسك جهت توليد ساختارهاي پيچيده به كار رود.
نانوسيم‌هاي تك‌بلوري متخلخل
مواد حفره‌اي به علت دارا بودن نسبت سطح به حجم بسيار زياد، كاربردهاي فراواني در كاتاليزورها، مهندسي محيط ‌زيست و حسگرها دارند. به طور نرمال، بيشتر اين ساختارهاي متخلخل از تركيب مواد آمورف و حفره‌اي به وسيلة واكنش آلي و معدني مبتني بر حلال به دست مي‌آيند.
در اينجا ساختارهاي نانوسيمي اكسيدروي ورتزيت جديدي گزارش شده‌اند كه داراي ساختار تك‌بلوري ولي با ديواره‌ها و حجم‌هاي متخلخل مي‌باشند. سنتز آنها مبتني بر فرآيند جامد- بخار است. شکل (6) يك تصوير SEM از نانوسيم‌هاي اكسيد‌روي سنتز شده بر روي بستري از سيليسيم را نشان مي‌دهد كه با لايه‌اي نازك از كاتاليزور قلع پوشش داده شده است. طول انوسيم‌ها از100 میکرومتر تا 1 میلی‌متر و شعاع آنها 50 تا 500 نانومتر مي‌باشد.
درحين واکنش، سولفات‌روي تشكيل شده روي بستر سيليسيم فقط جزئي از سطح را مي‌پوشاند زيرا شبكه آن هماهنگ با اكسيد روي نمي‌باشد. در نتيجه رسوب‌دهي فاز بخار اكسيد روي ساختارهاي متخلخل را تشكيل مي‌دهد. تخلخل بالا و تك‌بلوري بودن اين ساختارها، پتانسيل بالاي آنها را در فيلتراسيون،‌ نگهدارنده‌هاي كاتاليزورها و حسگرهاي گازها نشان مي‌دهد.
نانوتسمه‌هاي بسيار باريك ‌اكسيد روي
براي درك پديده‌ها و اثرات كوانتومي، نانوتسمه‌هايي با اندازة بسيار كوچك مورد نياز است. اخیراً با استفاده از كاتاليزورهاي جديد و با روش VLS نانوتسمه‌هاي بسيار ريز به دست آمده‌اند. در اين روش‌ها براي رشد بلورها به جاي استفاده از نانوذرات به عنوان كاتاليزور از لايه نازك (nm 10) و يكنواخت قلع استفاده شده است كه اين لايه نازك بر روي بستر سيليسيم پوشش داده شده است.
در اين روش نانوتسمه‌هايي نازك، باريك و متحدالشكل از اكسيدروي به دست آمدند که ميانگين اندازة نانوتسمه‌ها nm 5.5 مي‌باشد و نتايج بسيار خوبي را نشان مي‌دهد.
قفسه‌‌هاي چند وجهي
در اين كار نيز قفسه‌‌هاي اكسيد روي با خلوص و بازده بالا سنتز شدند،‌ اين قفس‌هاي كروي،‌ چندوجهي و باساختار متخلخل مي‌باشند كه از خودآرايي نانوبلورهاي اكسيدروي حاصل شده‌اند.
اين ساختارها با روش جديد خودآرايي نانوساختارها به دست مي‌آيند. اين روش شامل انجماد قطرات مايع روي، اكسيداسيون سطحي و تصعيد مي‌باشد. اين قفسه‌‌ها مي‌توانند جهت دارورساني به كار روند.
نتيجه‌گيري

اكسيد روي عضوي از خانواده ورتزيت و يكي از غني‌ترين نانوساختارها مي‌باشد. اكسيدروي سه مزيت عمده دارد: اول اينكه نميه‌رسانايي با شكاف باند ev3.37 و انرژي تحريك زياد (60mev) مي‌باشد و همچنين نشر نزديك به ماوراء بنفش دارد. دوم پيزوالكتريك است كه در حسگرها و كاهنده‌ها بسيار كاربرد دارد. و در نهايت اكسيد روي زيست‌سازگار و ايمن مي‌باشد و مي‌تواند در كاربردهاي پزشكي به‌راحتي و بدون روكش به كار رود. با اين خصوصيات ويژه اكسيد روي مي‌تواند زمينه‌هاي تحقيقاتي گوناگوني را در آينده ايجاد كند.

منبع :سايت نانو

مقدمه

روانكاري يا Lubrication علم تسهيل حركت نسبي سطوح در تماس با يكديگر تعريف شده است. عدم روانكاري صحيح ماشين‌آلات علاوه بر آنكه باعث تقليل راندمان مكانيكي و پايين آمدن بازده زماني ماشين مي‌شود، منتج به فرسايش بيش از حد، فرسودگي و از كارافتادگي زودرس آنها نيز مي‌گردد. در ابتدا براي روان‌كاري از روغن‌هاي پايه استفاده مي‌شد. ولي امروزه با به وجودآمدن موتورهاي سبك و تندرو، استفاده از روغن موتورهاي پايه جوابگوي نياز نمي‌باشد. بدين منظور براي ساخت يك روغن كه بتواند مشخصات لازم را بر حسب عملكرد مورد نظر، داشته باشد دو جز اصلي به نام روغن پايه و مواد افزودني با يكديگر مخلوط مي‌شود تا بتوان شرايط لازم براي كار موتور و همچنين محافظت از موتور را به وجود آورد. افزودني‌ها بر حسب كاركردشان انواع مختلفي دارند كه برخي از آنها عبارتند از: افزودني ضد اصطكاك، ضد سايش، ضد اكسيدكنندگي، پاك‌كننده، پراكنده‌كننده و غيره. در زير به بررسي روان‌كننده WS2 ‌ كه هم به صورت مستقيم به عنوان روان‌كننده استفاده مي‌شود و هم به صورت افزودني به ساير روان‌كننده‌ها به منظور جلوگيري از سايش قطعات درگير موتور و همچنين كاهش اصطكاك به كار مي‌رود، پرداخته مي‌شود.

مشكلات ناشي از استفاده از روان‌كننده‌هاي رايج WS2

روان‌کننده‌هاي رايج WS2 داراي ساختاري شبيه به گرافيت بوده و با لغزيدن لايه‌ها روي همديگر سبب کاهش اصطکاک مي‌گردند. لبه‌هاي اين لايه‌ها فعال بوده و سبب مي‌شود كه اين مواد به آرامي تجزيه شده يا در اثر حرارت و فشار بالا از هم بپاشند و با سطح فلز ترکيب و واكنش دهند. همچنين به خاطر بزرگ‌بودن اين لايه‌ها، آنها نمي‌توانند در ترک‌ها و منافذ موجود در روي سطح وارد شوند و بنابراين بر روي هم انباشته شده و به سطح مي‌چسبند و لذا بعد از مدتي از روان‌کنندگي مناسب جلوگيري مي‌کنند.

اين عوامل سبب مي‌شوند که روان‌کننده‌ها توانايي خود را از دست داده و اصطکاک ما بين دو سطح فلز افزايش يابد، بنابراين نياز به ذرات کوچکتر و مقاومتر وجود دارد.

استفاده از نانوذرات WS2 ‌ جهت روان‌كاري قطعات درگير براي كاهش اصطكاك و ساييدگي

نانوذرات WS2 به صورت جامدات کروي شكل مي ‌ باش ن د. از اين نانوذرات در توليد محصول ي به اسم Nanolub استفاده مي‌شود و بسيار ب هتر از روان‌کننده‌هاي معمولي سبب کاهش اصطکاک و سايش، به خصوص در مواقع بارگيري زياد شده و علاوه بر آن سبب افزايش طول عمر دستگاه و کاهش هزينه‌هاي نگه‌داري و تعميرات مي‌شوند. اين روان‌کننده قابل استفاده در ماشين‌ها و دستگاه‌ها ي صنعتي و هواپيما مي‌باشد.

در شكل زير نانوذرات موليبدنيوم سولفايد نشان داده شده است.

 

نانوذرات كروي شكل موجود در Nanolub بسيار ريز هستند و مي‌توان گفت كه هنگام قرارگرفتن بين دو سطح به صورت بلبرينگ‌هاي بسيار کوچک عمل مي‌کنند. آزمايش‌هاي بسياري نشان مي‌دهند که اين روان‌کننده تا حد بسيار زيادي سبب کاهش اصطکاک، ساييدگي و دما شده و بسيار بهتر از ساير روان‌کننده‌ها ي جامد عمل مي‌کنند به خصوص در مواقعي که بار زيادي روي سيستم وجود دارد. اين روان‌کننده همچنين از سوختن و به‌هم‌چسبيدن و پوسته پوسته‌شدن سطح فلز جلوگيري مي ‌ کند.

روان‌کننده Nanolub به صورت افزودني به روان‌کننده‌هاي مايع ، گ ريس‌ها، به صورت پودر جامد، پوشش نازک کامپوزيتي روي فلز و به صورت لايه پليمري کامپوزيتي مي‌تواند مورد استفاده قرار گيرد. روان‌کننده داراي نانوذرات WS2 در روي سطوح زبر به خوبي عمل مي‌نمايد. ا ي ن امر بدين معني است که سطوحي را که روي هم مي‌لغزند ديگر لازم نيست به صورت کاملاً يکنواخت صاف و جلا داد. چنانچه در روش‌هاي رايج براي کاهش اصطکاک نياز به جلادادن و صاف‌نمودن سطح تا حد بسيار زياد لازم است که اين امر نياز به صرف هزينه و وقت و دقت بالايي دا رد . با استفاده از روان‌کننده Nanolub در روي سطوح زبر اين سطوح بعد از مدتي خودشان به صورت خودكار سبب روان‌شدن سطح مي ‌ گردند چرا که روان‌کننده در منافذ بين سطح به دام مي‌افتد و به تدريج با ساييده‌شدن زبري‌هاي بزرگ سطح آزاد شده و عمل روان‌کنندگي را انجام مي‌دهد و از ايجاد اصطکاک در بين سطوح تا حد زيادي جلوگيري مي‌کند.

در نمودار زير اثر بار گذاري بر روي خاصيت روان‌کنندگي بررسي شده است.

نمودار تاثير بارگذاري بر روي ضريب اصطكاك را نشان مي دهد.

چنانچه در نمودار ديده مي‌شود در روان‌كننده‌هاي معمولي با افزايش بارگذاري ضريب اصطكاك بعد از مدتي به طور ناگهاني افزايش مي‌يابد در حالي كه اين افزايش در هنگام استفاده از نانوذرات WS2 ‌ در بارگذاري‌هاي بسيار بالا ديده مي‌شود و ميزان افزايش ضريب اصطكاك نيز بسيار كم مي‌باشد.

روشهاي استفاده از نانوذرات WS2 ‌

•  به صورت افزودني به روغن

•  افزودني به گريس

•  جزء لايه‌هاي کامپوزيتي پليمر

•  در پوشش‌هاي کامپوزيت‌هاي فلزي

برخي از خصوصيات و مزيت هاي Nanolub

•  کاهش اصطکاک و ساييدگي به صورت بسيار بهتر از ساير روان‌کننده‌هاي رايج به خصوص در بارگذاري بالا

•  طولاني‌بودن طول عمر روان‌كننده

•  توانايي تحمل بارگذاري بسيار زياد

•  پايداري شيميايي و فيزيکي بالا ي نانوذرات

•  صرفه‌جويي در مصرف انرژي و کاهش آلودگي

•  سازگار با محيط زيست

•  حفظ دقت بالاي اجزاء مختلف دستگاه بعد از کارکرد طولاني

•  کاهش هزينه تهيه و ساخت اجزاء ماشين‌ها و دستگاه‌ها به خاطر کارکرد مناسب در روي سطوح زبر

 

خصوصيات برجسته Nanolub ناشي از اندازه نانو

•  قابليت نفوذ در منافذ ريز

•  جلوگيري از Build up سطوح

•  امكان ايجاد سطوح خودروان‌کننده

مزاياي ناشي از کروي شكل‌بودن نانوذرات WS2

•  کاهش اصطکاک تا حد بسيار بيشتري از لايه‌هاي رايج روان‌کننده به خاطر قابليت چرخيدن کره‌ها

•  پايداري شيميايي به خاطر عدم وجود لبه‌ها

•  عمر کاري طولاني‌تر

•  پايداري فيزيکي بالا

•  عدم چسبيدگي به سطح

بازار هاي مورد هدف Nanolub

•  عدم نياز به نگهداري هميشگي دستگاه‌ها - هواپيمايي، شاتل‌ها و توربين‌ها

•  کارخانه‌هاي نيازمند به محيط تميز - نيمه‌رساناها

•  تحمل بارگذاري زياد - ماشين‌ها و دستگاه‌هاي سنگين

•  محيط‌هاي غيرعادي- خلاهاي بالا، تشعشع و فضاي بيرون جو

•  کاربردهاي نظامي- موتورهاي بدون صدا

•  لايه‌هاي کامپوزيتي- پوشش‌هاي ضد خوردگي

منبع :سايت نانو

CIA تاثيرات ژئوپلتيك فناوري ريز را به شدت تحتنظر ميگيرد در زمان قديم كه جهان مكاني بزرگتر به نظر ميرسيد، سازمان اطلاعات مركزي آمريكا (CIA) نگران انقلابهاي مكانهاي معمولاً محدودي مثل كوبا ، شيلي و ايران بود. § آيا نياز به نصب يك " شاه " است ؟ مشكلي نيست. § آيا يك ديكتادور بايد كنار گذاشته شود؟ مسئلهاي نيست. § آيا حملهاي نظامي بايد برنامهريزي شود؟ باشد، هرچيزي بدون دردسر كنار ميرود. هماكنون انقلابي, كه CIA در حال آماده شدن براي آن است, در حال وقوع است. ذكاوت زيادي براي اداره كردن اين انقلاب لازم است . "انقلاب فناوريهاي جهاني" عنوان گزارش CIA است. و چندان كه از نامش پيداست، پيامدهاي تكاندهندهتري خواهد داشت. مرزهاي بينالمللي و تقسيمات قارهاي را بيشتر درخواهد نوريد، و بيشتر از شورش يك حاكم حقير، در معرض پسزني و مخالفت قرار خواهند گرفت. گزارش موسسه تحقيقات دفاع ملي RAND كه به قلم فيليپ آنتون, ريچارد سيلبرگليت و جيمزاشنايدر است, بيان ميدارد :" انقلاب فناوري اثرات يكساني ندارد و بسته به پذيرش ، سرمايهگذاري و يكسري از تصميمات ديگر، نقشهاي متفاوتي در سطح جهاني بازي خواهد كرد." " با اين حال ، حركت به عقبي وجود نخواهد داشت, چون بعضي جوامع از اين انقلاب سود خواهند برد و لذا جهاني شدن محيط زندگي جوامع را تغيير خواهد داد. جهان با اثرگذاري پيشرفتها در سطح جهاني تغيير عمدهاي خواهد نمود." فناوري ريز يكي از بازيگران اصلي در اين مرحله است. چندان كه گزارش يادآور ميشود، MEMS، ميكروسيستمها و نانوتكنولوژيها، يكي از تحولات مهم فناوري را تا 2015 موجب خواهد شد. در راستاي پيشرفت علم مواد و پيشرفتهاي پيوسته فناوري اطلاعات انتظار ميرود, فناوري ريز تاثير زيادي روي كيفيت زندگي، نحوه توليد محصولات و نحوه مصرف منابع طبيعي بگذارد. با اين حال، در مورد تمام مزاياي مثبتي كه ذهن انسان ميتواند تصور كند يك موازنه اقتصادي هم وجود دارد, مثلاً شبكه فراگير سنسورها و عملكنندهها (Actuator) به معناي پيشرفتهاي بزرگي در امنيت فردي ، آسايش در منزل، ايمنخودرو، حفاظت منابع طبيعي و عملكرد نيروي انتظامي و نظامي خواهد بود. در چنين زماني، اين همه دادههاي جمعآوريشده چه معنايي براي حريم شخصي به جا خواهد گذاشت؟ نحوهاي كه ما اشيا را ميسازيم، نيز تغيير خواهد كرد. كوچك شدن بيوقفه دستگاهها، متصل شدن الكترونيك و مكانيك روي تراشهها، و دورنماي كارخانههاي كاملاً غيرمتمركز و كوچك به معناي مهجور ماندن تعداد فراواني از كارخانههاي بزرگ است. در حالي كه اين مسئله ميتواند بخشي از سرمايههاي ارزشمند را در كشورهاي صنعتي آزاد نمايد ، ميتواند بعضي سرمايهگذاريها را نيز متروكشده نمايد و بر هم ريختگيهايي در وضع نيروي كار آموزشديده، كه محتاج ارتقاي اساسي مهارتها هستند، ايجاد كند. ملتها ، مناطق و افرادي كه به دليل فقدان سرمايه، ترس از تغيير، يا مقاومت نسبت به جهاني شدن در حاشيه انقلاب فناوري قرار ميگيرند، اعم از اين كه افرادي مضحك، ناظراني هوشمند يا انسانهايي به ضعف كشيده باشند، آيندهاي بسيار متفاوت، با رشد اقتصادي پايينتر، دسترسي كمتر به غذا و بهداشت و طول عمرهاي كوتاهتر خواهند داشت. اين ندارها نسبت به اين داراها چطور بايد احترام بگذارند؟ به گفته اين گزارش : " هرچند فناوري بعضي از مشكلات را تسكين ميدهد ولي موجب نابرابريهاي واقعي اقتصادي بين كشورهاي توسعهيافته و در حال توسعه و مابين هركدام از آنها خواهد شد. آنهايي كه نخواهند يا نتوانند از نو آموزش ببينند و با فرصتهاي جديد تجاري هماهنگ شوند، به مقدار بسيار زيادي عقب خواهند ماند. به علاوه با توجه به ضعف بازار مردم فقير كشورهاي در حال توسعه، انگيزه اقتصادي به ندرت براي حركت به سمت اكتساب مهارتها يا مصنوعات فناوري جديد كافي خواهد بود." نويسندگان RAND فهميدهاند كه اين انقلاب فناوري مثل ديگر انقلابها، در ذات خود تضاد افراد را دربردارد. تصادمات و ويرانيهايي رخ خواهد داد. به همين شكل برندگان و بازندگان و افراد آزرده خاطر وجود خواهند داشت. همانطور كه تاريخ مكرراً نشان داده اين نوع اصطكاكهاي فرهنگي، اجتماعي و سياسي به برخوردهاي نظامي منتهي خواهند شد و به همين علت است كه CIA به اين مسئله توجه نشان داده است. در اين حالت حق انتخابي نخواهد ماند. انقلاب فناوري، عليرغم مشكل بودن پيشبيني دقيق مسير آن ، ارزش سرمايهگذاري ، تعهد و توسعه دادن را دارد. دورنماي طولعمرهاي طولانيتر، بهرهوري بالاتر انرژي، تخريب كمتر محيطزيست و كاهش فوقالعاده قيمت محصولات بسيار نويدبخش است. براي هر ملت ، منطقه يا فرد متهوري كه در فكر تصرف اين موج آتي ميباشد، الزامآورندهترين چيز معلومات و دانشي است كه ديگري در دست دارد. اين مسئله فناوري ريز را بخشي از امنيت ملي هر ملت صنعتي ميكند. جاي شگفتي وجود ندارد كه چرا براي CIA زير نظر گرفتن اين انقلاب ارزش داشته است. منبع: جانپپر ، رئيس و ناشر Small Times ، www.smalltimes.com

اين مقاله در مجله فرايند خزر انجمن مهند سي شيمي (سال هفتم- بهار 1383) دانشکده فني و مهندسي دانشکاه مازندران به چاپ رسيده است"

1 - مقدمه:

نانوتکنولوژي زمينه هيجان انگيزي از علم وتکنولوژي است که مي تواند شانس بزرگ و بي سابقه اي را در افق ديد ما قرار دهد؛ توانايي چيدن و دوباره سازي ساختارهاي ملکولي. نانوتکنولوژي تاثير زيادي بر هرانچه که مي سازيم مي گذارد.ساختن هر چيز به غير از مرتب کردن اتم ها نيست، اگر بتوانيم اتم ها را با دقت بيشتر، هزينه کمتر وانعطاف بيشتر در کنار هم قرار دهيم آنگاه تمام محصولاتي را که در دنياي کنوني توليد مي کنيم ، تغيير اساسي خواهند کرد. بعنوان مثال مي توان دستگاهها و وسايل جراحي را در اندازه و دقت ملکولي توليد کرد بطوري که قادر باشند وارد سلول شوند، جايي که بيشتر بيماريها از آنجا منشاء مي گيرند.

پايه اين زمينه هيجان انگيز يک حقيقت بسيار ساده است: اتمها مي توانند در بي نهايت حالت مختلف چيده شوند، درحال حاضر ما فقط در صد بسيار کوچکي از آنچه که احتمال دارد را مي توانيم بسازيم.

اگر بتوانيم 100 اتم را در يک نانومتر مکعب قرار دهيم و هر اتم بتواند جزئي از صد قسمت باشدآنگاه در حدود 100 100 راه متفاوت براي چيدن اتم ها در يک نانومتر مکعب خواهيم داشت.يک ميکرون مکعب چنين احتمالي را به 100 100000000000 گسترش مي دهد.

نانوتکنولوژي راه حلهاي جديدي براي تغيير شکل سيستم هاي طبيعي ارائه مي کند و مي تواند زمينه وسيع تکنولوژيکي براي کاربرد در بعضي حوزه ها مانند فرآيندهاي بيوزيستي در صنعت و پزشکي ملکولي (مثلاً براي تشخيص و معالجه بيماري ها،پيوند اعضاي بدن ، جراحي نانومقياس، ساخت دارو وانتقال دارو به هدف ) ، رسيدگي به تاثيرات محيط زيستي نانوساختارها(مانند غلبه بر آلودگيهاي زيست محيطي توسط نانو فيلترها ) ، بهبود سيستم هاي کشاورزي وغذايي(مانند افزايش محصولات کشاورزي ، محصولات جديد غذايي ، نگهداري غذا) ، محصولات جديد شيميايي و پتروشيميايي (مانند ساخت کريستالهاي جديد، نانو پليمرها) را فراهم کند.

در مهندسي نانو،چگونگي نشست هر لايه اتم بايد کنترل شود، چون درستي ساختار هر لايه اتم شديداً وابسته به جزئيات ترتيب اتم هاي سطحي است که روي آن نشسته اند. بنابراين بايد بتوان ترتيب اتم ها يا ساختار سطح را ديد. بدين منظور نياز به گروه جداگانه اي از دستگاههاي تشخيص دهنده داريم که بتوان به وسيله آنها ترتيب دو بعدي اتم ها را در خارجي ترين لايه اتم هاي ماده وحتي ساختار توده اي سه بعدي اتم ها را تشخيص داد.ميکروسکوپهاي کاوشگر ( SPM 1 ) از اين دسته دستگاههاي تشخيص دهنده مي باشند. SPM عبارتي کلي براي کليه تکنيکهايي است که ماده را در مقياس ميکروني تا کمتر از آنگستروم اسکن مي کنند. برخلاف ميکروسکوپهاي الکتروني که به خلاء وآماده سازي نمونه احتياج دارند، SPM ها اغلب در هوا يا مايع وبدون آماده سازي نمونه يا با حداقل آماده سازي نمونه به کار مي روند.

ميکروسکوپ نيروي اتمي( AFM 2 ) وميکروسکوپ تونل زننده ( STM 3 ) در گروه SPM قرار مي گيرند.هر SPM از يک پروب تيز براي اسکن سطح نمونه به صورت نقطه به نقطه و خط به خط استفاده مي کند تا نقشه اي از سطح ايجاد کند. ساده ترين نقشه اي که SPM به وجود مي آورد نقشه سه بعدي سطح است.

2- ميکروسکوپ نيروي اتمي

ميکروسکوپ نيروي اتمي يکي از دهها ميکروسکوپ بررسي کننده دقيق است که توسط کوات 4 و باينينگ 5 در سال 1986 ساخته شد.اين نوع ميکروسکوپها با اندازه گيري خواص موضعي مثل ارتفاع، جذب نور يا مغناطيسس با پروب 6 يا نوک 7 بسيار نزديک به نمونه کار مي کنند.

فاصله کم نمونه- پروب (به منظور وضوح 8 دستگاه)امکان اندازه گيري را روي کل يک سطح کوچک هموار مي سازد وعکسهاي حاصل روي يک صفحه نمايشگر نمايان مي شوند. برخلاف ميکروسکوپهاي سنتي سيستم هاي پروب - اسکن 9 از لنز استفاده نمي کنند. AFM (شکل 1) براساس اندازه گيري ميزان جذب يا دفع نيروها بين نمونه و تيپ کار مي کند.

در حالت «تماس دفعي » دستگاه به آرامي تيپ موجود در انتهاي فنر فلزي يا ديرک را با نمونه تماس مي دهد،همچنان که دسته اسکن کننده 10 نوک را روي نمونه مي کشد ، يک نوع دستگاه آشکارساز 11 انحراف عمودي ديرک را اندازه مي گيرند، که به اين ترتيب ارتفاع موضعي نمونه مشخص مي شود. بنابراين در حالت تماس ، AFM نيروهاي بين نمونه و نوک را اندازه مي گيرد.

در حالت غير تماسي ، AFM عکسهاي موضعي را با استفاده از اندازه گيري نيروهاي جذب دريافت مي کند در حاليکه نوک با نمونه تماس ندارد.در اين حالت عکسبرداري از نمونه در زير آب امکان پذير نيست.

AFM مي تواند به وضوح pm 10 برسد و برخلاف ميکروسکوپهاي نوري هم در آب و هم در هوا قدرت عکسبرداري دارد.

به طور کلي AFM ها از اصول ضبط صوت پيروي مي کنند، البته ظرافتهايي دارند که آنها را قادر مي سازد قدرت تشخيصي در حد اتمي داشته باشند، که اين ظرافتها عبارتند از:

• آشکار ساز حساس

• ديرک هاي انعطاف پذير

• نوک هاي تيز

• توانايي بالاي تجزيه مکان نوک –نمونه

• پس خور نيرو

شکل 1: مفهوم AFM وپايه نوري 12 . (چپ ) ديرک نمونه را لمس مي کند،(راست) پايه نوري ؛ اسکنر

لوله اي قطر nm 24 را اندازه مي گيرد، طول ديرک m m 100 است.

2-1 انواع نوک هاي AFM

با استفاده از روشهاي ميکروليتوگرافي مي توان نوک هاي ارزان و کاملاً موثر ساخت.

شکل 2: سه نوع نوک متداول( a ) نوک معمولي ( b ) نوک سوپر ( c ) اولترا لور

معمولاً نوکها با شعاع انتهايي شان توصيف مي گردند.عموماً در تاثير متقابل نمونه ونوک ، شعاع انتهايي قدرت وضوح AFM را محدود مي کند. بنابراين در حال حاضر توسعه نوکهاي تيزتر از اولويتهاي اصلي است.

سه نوع نوک متداول وجود دارد:

• نوک معمولي (شکل a 2) با m m 3 بلندي و شعاع انتهايي nm 30.

• نوک اشعه الکتروني ته نشين شده 13 يا سوپر تيپ ( شکل b 2 ) اصلاح شده نوک هاي معمولي است که با ته نشست القا شده پرتو الکتروني 14 مواد حاوي کربن توسط فرو بردن مستقيم نوک معمولي به درون اشعه الکتروني ميکروسکوپ پيمايشگر الکتروني حاصل مي شود. به خصوص اگر ابندا ديرک ها با روغن فنري پوشيده شود، اين نوع نوک حاصل خواهد شد.اگر طيف مثبت اشعه الکتروني بر روي زاويه راس به مدت چند دقيقه متوقف شود، نسبت جانبي 15 بالاتري دارد.

نوک سوپر بلند وباريک است و براي بررسي حفره ها و شکافها مناسب است.در بعضي موارد شعاع انتهايي آن بيشتر از يک نوک معمولي است.

• اولترا لور 16 ( c 2 ) است که توسط فرآيند اصلاح شده ميکروليتوگرافي ساخته مي شود، اين نوع نوک نسبت جانبي نسبتاً بالايي دارد وشعاع انتهايي آن به هنگام لزوم حدوداً nm 10 است.

a	b	c

2-2 پس خور نيرو در AFM

حضور حلقه پس خور يکي از ظريفترين تفاوتهاي بين AFM ودستگاههاي اندازه گيري سوزني قديمي تر مثل ضبط صوت است. AFM نه تنها نيروي وارد بر نمونه را اندازه مي گيرد، بلکه آنرا تنظيم مي کند. بنابراين مي توان با صرف نيروهاي بسيار کم تصاوير را به دست آورد.

شکل 3: حلقه پس خور 17 AFM . يک شبکه جبراني انحراف ديرک را نشان مي دهدو آنرا با ميزان کردن نمونه (يا ديرک) ثابت نگه مي دارد.

حلقه پس خور (شکل 3) شامل يک اسکنر لوله اي است که ارتفاع کامل نمونه را کنترل مي کند و يک ديرک و پايه نوري که ارتفاع موضعي نمونه را اندازه مي گيرند. حلقه پس خور با تنظيم ولتاژ به کار گرفته شده در اسکنر تلاش مي کند انحراف ديرک را ثابت نگه دارد. حلقه پس خور با فرکانس 10 kHz به يک دقيقه زمان براي تصوير براداري نياز دارد. يک نکته جالب توجه اين است که حلقه پس خور مي تواند انحراف ديرک را سريعتر اصلاح کند، به اين ترتيب AFM سريعتر مي تواند تصوير برداري کند. بنابراين يک حلقه پس خور که درست بنا شده باشد، براي عملکرد ميکروسکوپ ضروري است.

2-3 روش هاي تصوير برداري در AFM

تقريباً تمام AFM ها وضعيت هر نمونه را به دو روش استاندارد اندازه مي گيرند: با اندازه گيري ثابت پس خور خروجي (" Z ") يا انحراف ديرک (" خطا " ) ( شکل 3 ). مجموع اين دو سيگنال همواره توپوگرافي واقعي را نشان مي دهد، اما با استفاده از حلقه پس خور کاملاً تنظيم شده ، از سيگنال خطا مي توان چشم پوشي کرد.البته AFM روش ديگري غير از اين دو روش براي تصوير برداري دارد.

پايه نوري AFM مي تواند اصطکاک بين نوک ونمونه را اندازه گيري کند. اگر اسکنر نمونه را عمود بر محور ديرک حرکت دهد ( شکل 4) اصطکاک بين نوک ونمونه با عث مي شود که ديرک پيچ بخورد.

يک حسگر نوري که در دو بعد حساس مکاني است مي تواند حرکت چپ – راست منتج شده از اشعه ليزر انعکاس يافته از حرکت بالا –پايين ايجاد شده توسط تغييرات توپوگرافيکي را تشخيص دهد.

شکل 4: عکسبرداري توپوگرافيک از انحراف بالابه پايين ديرک استفاده مي کند، در حاليکه عکسبرداري اصطکاکي از انحراف پيچشي 18 استفاده مي کند .

بنابراين AFM مي تواند اصطکاک نوک- نمونه را هنگام عکسبرداري از توپوگرافي نمونه اندازه گيري کند.در کنار اندازه گيري خواص نمونه ، اصطکاک ( نيروي افقي يا انحراف افقي ) مي تواند اطلاعات مفيدي در مورد تاثير متقابل نوک- نمونه بدهد.

شکل 5 عکسي از اتمهاي گرافيت است که در آن اصطکاک وتوپوگرافي با هم نشان داده شده اند.هر برآمدگي يک اتم کربن را نشان مي دهد.همچنان که نوک از راست به چپ حرکت مي کند، با برخورد به هر اتم به پشت آن مي چسبد.اسکنر به حرکت ادامه مي دهد ونيروهاي افقي 19 ساخته مي شوند تا زماني که نوک از اتم عبور کند و به پشت اتم بعدي بچسبد.اين رفتار « چسبيدن – عبور کردن» چين خوردگي موجي شکل را در تصوير اصطکاک ايجاد مي کند.( شکل 8 )

شکل 5: تصوير nm 5/2 * 5/2 همزمان توپوگرافي و اصطکاک highly oriental pyrolytic graphite(HOPG) . برآمدگي ها چين خوردگي توپوگرافي اتمي وانعکاس هاي رنگي نيروي افقي روي نوک را نشان مي دهد. جهت تصوير برداري از راست به چپ است.

شکل 6: نمودار تقاطعي داده هاي اصطکاکي از شکل 5

2-4 اندازه گيري الاستيسيته

AFM مي تواند نرمي يک نمونه را با فشار دادن پايه بر هر نقطه نمونه در هنگام تصويربرداري اندازه گيري کند.اسکنر با تغيير نوسان (معمولاً از 1 تا nm 10) بوسيله يک مقدار از پيش تعيين شده نمونه را بالا مي برد يا ديرک را پايين مي آورد.ميزان انحراف ديرک بستگي به نرمي نمونه دارد،نمونه سخت تر باعث انحراف بيشتر ديرک مي شود (شکل 7).

شکل 7: AFM مي تواند الاستيسيته نمونه را با فروبردن نوک درون نمونه واندازه گيري انحراف ديرک تصوير کند

شکل 8 عکسي از Bovin serum albumin(BSA) که يک پروتئين مي باشد را روي سيليکون نشان مي دهد. به جرات مي توان گفت که هر کدام از برآمدگي ها که در تصوير توپوگرافي ظاهر شده ، مربوط به يک ملکول BSA است. تصوير الاستيسيته نشان مي دهد که هر برآمدگي نسبت به سوبستراي سيليکون نرمتر است و همان چيزي است که از ملکولهاي پروتئين انتظار مي رود.

شکل 8: عکس شبيه سازي شده ازتوپوگرافي (چپ )و الاستيسيته (راست ) از BSA روي سيليکون

2-5 AFM در مهندسي شيمي وبيوتکنولوژي :

توانايي AFM براي تصويربرداري در وضوح اتمي به همراه توانايي آن براي عکسبرداري از انواع متفاوت نمونه ها در شرايط گوناگون ، باعث علاقه مندي زيادي براي استفاده از آن براي مطالعه ساختارهاي شيميايي و بيولوژيکي شده است .اندازه گيري مکانيک بين ملکولي يک ملکول پروتئين،ساپروملکولهاي شيميايي، ملکول هاي پليمري يا نانوذرات نرم با AFM انجام شده است. تصاوير زيادي نيز از DNA وسلولهاي زنده گرفته شده است. همچنين از AFM براي بدست آوردن استحکام پيوند بين ملکولي يک جفت ملکول در محلولهاي فيزيولوژيکي استفاده شده است.

متاسفانه AFM نمي تواند از تمام نمونه ها در مقياس اتمي عکسبرداري کند.شعاع انتهايي نوک هاي دردسترس وضوح اتمي را به نمونه هاي تخت 20 ومتناوب مثل گرافيت نسبتا محدود مي کنند. به علاوه به دليل نرمي ساختارهاي بيولوژيکي ، تاثير متقابل نوک –نمونه ،تمايل به از شکل اندختن يا تخريب آنها در بعضي از موارد دارد.

براي مثال شکل (9) نشان مي دهد که چگونه نيروهاي به کار گرفته شده روي فيبر کلاژن تمايل به جداسازي آنها از روي سوبسترا در يک دوره زماني دارد، که اين باعث از شکل افتادن بيشتر نمونه مي شود.

شکل 9: عکسهاي 50،1و 100 برابر شده از فيبرهاي کلاژن کوچک. تصويربرداري تکراري از يک ناحيه نشان مي دهد فيبرها از سوبستراي شيشه اي جدا شده اند، که باعث تغيير شکل در جهت تصويربرداري مي شود، از چپ به راست و از بالا به پايين

3- ميکروسکوپ تونل زنده

ميکروسکوپ تونل زن (STM) از ترتيب اتمهاي سطح با استفاده از امواج حس شده در دانسيته الکتروني سطح که از مکان اتمهاي سطح ناشي مي شود، عکس مي گيرد(شکل 10). با استفاده از اين تکنيک ميکروسکوپي مي توان سطوح رساناي الکتريکي را تا مقياس اتمي مورد بررسي قرارداد. STM امکان جديدي براي تشخيص اينکه چگونه شرايط فرآيند آماده سازي مي تواند روي جزئيات اتمي سطح ماثر باشد، فراهم مي کند.

شکل 10: دياگرام شماتيکي از ميکروسکوپ تونل زن

در STM نمونه به وسيله يک نوک فلزي بسيار نازک اسکن مي شود.نوک به شکل مکانيکي به اسکنر متصل است،اسکنر يک دستگاه تعيين کننده موضع XYZ است که توسط مواد پيزوالکتريک کار مي کند.

نمونه اندکي بار مثبت يا منفي دارد، بنابراين اگر نوک با نمونه تماس يابد، يک جريان کوچک،« جريان تونل زن » جاري مي شود. با کمک جريان تونل زن،الکترونيک پس خور فاصله نوک ونمونه ثابت نگه داشته مي شود.اگر جريان تونل زن از ميزان فعلي اش بيشتر شود، فاصله بين نوک ونمونه افزايش مي يابد واگر از اين مقدار کمتر شود، پس خور فاصله را کم مي کند.نوک خط به خط سطح نمونه را پيروي از توپوگرافي نمونه اسکن مي کند.

3-1 جريان تونل زن

دليل توانايي بسيار زيا د STM در مقياس اتمي ، خواص فيزيکي جريان تونل زن است.

شکل 11: تماس تونلي نوک –نمونه و شکل تواني مربوت به آن

وقتي جريان تونل زن جاري مي شود، از فاصله اندکي که نوک را از نمونه جدا مي کند، عبور مي نمايد.اين مورد در فيزيک کلاسيک امکان پذير نيست اما با به کارگيري روشهاي بهتر مکانيک کوانتوم قابل توجيه مي باشد.جريان تونل زن به شکل تواني با افزايش فاصله ( d ) کاهش مي يابد (شکل 11).

K,k ثابت اند I= K×U×e -(k×d) ;

تغيير بسيار کم در فاصله نوک –نمونه باعث تغييرات زيادي در جريان تونل زن مي شود، بنابراين فاصله نوک-نمونه بايد بسيار دقيق اندازه گيري شود.

جريان تونل زن، توسط خارجي ترين اتم واقع در قسمت بيروني نوک ايجاد مي شود،اتمهاي نزديکتر به اين اتم مقدارکمي جريان ايجاد مي کنند،بنابراين سطح تنها به وسيله يک اتم اسکن مي شود.جريان تونل زن با کنده کاري يا کشيدن يک سيم نازک فلزي به راحتي به دست مي آيد. براي درک بهتر اين موضوع مثال زير را در نظر بگيريد:

يک تپه مخروطي از ماسه را روي زمين تصور کنيد، اگر به دقت آنرا بررسي کنيد،آنگاه خواهيد ديد که يک دانه ماسه خارجي ترين قسمت قله را تشکيل مي دهد، اکنون جاي تپه را با نوک عوض کنيد با توجه به اين نکته که جريان تونل زن با فاصله به شکل تواني کاهش مي يابد ،جريان تونل زن جاري مي شودو سطح نمونه با خارجي ترين اتم اسکن مي شود.

4- نتيجه گيري:

تاثيرنانوتکنولوژي بر زندگي بشر بسيار فراتر از آن چيزي است که در نگاه اول به نظر مي رسد. با يک بررسي اجمالي در مي يابيم که فناوري هاي نوين همگرا هستند ودر نهايت همگي آنها از آنچه که در طبيعت براي ميليونها سال انجام شده سرمشق مي گيرند. نانوتکنولوژي مي تواند تغييرات اساسي در زمينه توليد مواد، ذخيره انرژي ،ذخاير غذايي و... ايجاد کند.همچنين مي تواند سيستم هاي دارويي- پزشکي ، کشاورزي، شيميايي و پتروشيميايي را به خوبي تغيير دهد. اما هر علم وتکنولوژي جديدي به ابزار وتجهيزاتي براي رسيدن به اهداف خاص آن شاخه از علم نياز دارد. بي ترديد تکنيکهاي تصوير برداري از ابزار اوليه و بسيار مهم نانوتکنولوژي مي باشند که در اين مقاله بطور اجمالي بخشهاي از آن مورد بررسي قرار گرفته است. پيش بيني مي شود که از نانوتکنولوژي نيزهمانند ساير فناوري ها استفاده نامطلوب گردد. به منظور جلوگيري از توسعه نانوتکنولوژي در جهت اهداف نظامي عاقلانه به نظر مي رسد که بر ارزش آن درمهندسي، پزشکي ، محيط زيست وکشاورزي تا کيد شود.

منبع: سايت نانو

چكيده :

هدف در اين پروژه كه فازهاي ابتدايي آن از زمستان 80 در ايران آغاز شده ، طراحي و شبيه سازي قابل اجراترين مدل در ساخت روباتهاي مولكولي براي اهداف پزشكي و دارو رساني در بدن انسان است و براي رسيدن به آن تمام مسائل قابل بررسي در زمينه هاي ساخت و كاربرد روبات را بررسي كرده و سعي بر آن است با توجه به كارهاي جهاني انجام شده و پتانسيلهاي موجود در كشور كم خطر و پر كاربردترين راه حل را پيشنهاد كنيم .براي كنترل خودمختار تيمهاي نانوروبات در يك محيط پيچيده نانوتكنولوژيكي خيس از شبكه هاي عصبي و واقعيت مجازي استفاده شذه و طرح سنسور ، موتور و پردازشگر برگرفته از دستاوردهاي بيوتكنولوژي در استفاده از ابزارهاي طبيعي مانند آنزيمها ، سوختهاي سلولي و DNA است .

1 ) لزوم طرح پروژه :هدف اصلي نانوتكنولوژي ساخت سيستمهاي بسيار ريز در توسعه ماشينهاي مولكولي بوده است و نانوروبات مي تواند همه چيز را به صورت مولکول به مولکول بسازد و حتي ساختار خود را تغيير داده يا توليد مثل کند .

1_1 )کاربرد نانوروباتها :

1-1-1 ) مونتاژ قطعات الکترونيکي و مکانيکي در ابعاد ريز

1-1-2 ) انجام کارهاي دقيق ميکروسکپي وقت گير و نيازمند دقت فراوان

1-1-3 ) کار در پايگاههاي تصفيه زباله هاي سمي

1-1-4 ) انجام عمليات پزشکي به عنوان پزشک داخل بدن و کنترل علائم حياتي و باليني

1-1-5 ) درمان بيماريها به عنوان داروي هوشمند

با توجه به اهميت استراتژيك نانوروباتها در تمام گستره هاي صنعت ، پزشكي و تحقيقات علمي و نقش آن در بهبود سطح زندگي بشر و افزايش درآمد ملي ورود به اين حوزه براي كشور ما اجتناب ناپذير است . خوشبختانه مواد اوليه و ابزار مورد نياز توليد اين روباتها نسبتا ارزان است و اين راه را براي توليد انبوه اين محصولات در داخل كشور و رقابت با بازارهاي رو به رشد جهاني محصولات نانوبيو باز مي كند .

2 )مقدمه :اين پروژه شامل طراحي وشبيه سازي اعمال تيمهاي بهم مرتبط و خودمختار روباتهاي همكار است كه يك سري بيو مولكول مشخص را در زمان مناسب به مدخلهاي از پيش تعريف شده اي انتقال مي دهند . با توجه به تاثيرات كوانتمي در ايجاد عدم قطعيت در شناسايي مكان الكترون و تغييراتي كه دما در رفتار فضايي مولكولها ايجاد مي كند ، اولين پله در ساخت سيستمهاي دقيق نانو ، ساخت پروسسورهاي پيچيده و محلهاي ذخيره اطلاعات real time در ابعاد نانواست .بقيه كارها بايد در زمينه ساخت بيوسنسورها و ابزارهاي nano-kinetic صورت بگيرد كه بسياري از مسائل كلاسيك آنها از قبيل اصطكاك ، حركتهاي دمايي و مكانيك كوانتومي شناخته و حل شده اند .

3 )طراحي اوليه : سه طرح اصلي در دستكاريهاي مولكولي در محيط مايع و گاز ابعاد نانو عبارتند از :

بازوهاي روباتي ، Stewart Platform ,Five_strut Crank Model .كه ما nanomanipulation در محيط مايع را با استفاده از سنسور و دريافت نقشه حركت انتخاب كرده ايم .

4 )استفاده از واقعيت مجازي : براي شبيه سازي نانوروباتهايي كه در محيط پيچيده با 6 جهت آزادي حركت مي كنند به گرافيك كامپيوتري قدرتمندي نياز داريم و قبل از هر چيز بايد كاملا محيط مساله را بشناسيم . نانوروباتها در دنيايي زندگي مي كنند كه اصطكاك ، چسبندگي و ويسكوزيته برترين نيروها و نيروهاي جاذبه كوچك يا بي اهميت هستند مانعهاي محيط در مكانهاي ناشناخته قرار دارند و موقعيتهاي رسانش دارو كاملا قابل آدرس دهي هستند . مسير حركت و موقعيتهاي هر مولكول به طور تصادفي توليد مي شود و سنسورهاي روبات با گزارش نيروي چسبندگي مشخص مي كنند كه شي مورد برخورد يك مانع است كه بايد از آن دور شد يا مولكولي است كه بايد حمل شود .

5 )شبيه سازي فيزيكي : در اينجا مي خواهيم نحوه برخورد روبات با مولكولهاي مختلف را شبيه سازي كنيم . يك روش ساده و سريع براي محاسبه نيروهاي تماسي ، شتاب ، اصطكاك ، سرعت نرمال و فرموله كردن ارتباط ميان نيروها توسط الگوريتم Baraff بيان مي شود اما در اين مساله از يك الگوريتم مكمل نيز براي رديابي collision در نقاط منفرد بهره مي جوييم. شروط دقيق را براي برخورد ديناميك به صورت يك بردار C از نيروي مغناطيسي بيان مي كنيم نتيجتا معادلات حركتي نيوتن _اويلر به صورت زير بيان مي شوند :

= بردار مشتق سرعت. = مشتق بردار فاصله برخورد نرمال . ها = نيروهاي خارجي شامل برخورد.

= بردارهايي كه از مركز جرم به نقاط اثر نيرو كشيده شده اند . I = تانسورسكون . m =جرم جسم

براي مشخص كردن اينكه در چه موقع ، در اثر يك برخورد اشيا حركت مي كنند دو نوع برخورد را وجود دارند:

شكل 1 : Molecular identification by collisions contact

5-1 ) tangential collision :( مماسي) مربوط است به اشتراك دو سطح در يك نقطه هندسي و توسط معادلات زير شرح داده شده :

فرض مي كنيم كه سطح بيضوي يك بيان پارامتريك به صورت زير دارد :

به طور مشابه براي دو سطح جبري مساله اشتراك مماسي به صورت زير فرموله مي شود :

	(08)
	(09)

5-2 ) Boundary Collision (مرزي) : دامنه سطح بيضوي را به صورت تعريف مي كنيم كه انحناهاي مرزي با جانشين كردن s يا t با 0 يا 1 بدست مي آيند . پس بايد معادله زير را حل كنيم دو شي بهم برخورد مي كنند اگرمعادلات 3 يا 10 براي سطوح پارامتري و معادله 6 براي سطوح جبري يك جواب در دامنه هاي خود داشته باشند .

6) تيمهاي مولتي روبات همكار : مسئله ما عبارت است از هدايت روباتي كه بايد تجربه بياندوزد , با توجه به سوخت خود , فاصله مولكولها و ارزش آنها تصميم بگيرد ,محيط را بشناسدو با ساير روباتها همكاري كند شبكه هاي عصبي قدرت آموزش پذيري فوق العاده اي دارند , آلگوريتمهاي ژنتيكي در وضعيتهاي پيشبيني نشده , خوب عمل مي كنند و دقت آلگوريتم مورچگان در پيدا كردن بهترين مسير با 05/0 خطاي كمتر از آلگوريتمهاي ژنتيكي قابل توجه است . پس ظاهرا بهتر است براي تامين نيازهاي مختلف سيستم از همه آنها بهره بگيريم .پس قدم اصلي بعدي شناخت دقيق پتانسيلهاي هر يك از اين روشها براي روبات ما و استفاده از آنهاست .مساله مهم توجه به نياز همكار پذير بودن روباتهاست . شروط رقابتي جامعه حشرات به ما مي آموزد چطور سيستمهاي توزيع شده غير متمركز خودمختار بسازيم كه در تعامل با ساختارهاي مشابه تكامل پيدا مي كند Kube نشان داد كه شكستن مساله اصلي به زير مساله هاي مبتني بر دريافتي هاي سنسور مي تواند رفتارهاي بدون ارتباط صريح را در نانوروباتها ايجاد كند .قانون كلي رفتار تيم مولتي روباتها در جدول 1 شرح داده شده است

اين مدل شامل هيچ رفتار خود ترميمي در نانوبوتهانيست .

7 )حركت عصبي :

در اين مرحله براي پيدا كردن كوتاهترين مسير از شبكه هاي عصبي مجازي (ANN) استفاده مي كنيم .از پيش ثابت شده كه مساله كلاسيك پيدا كردن كوتاهترين مسير در فضاي سه بعدي با مانعهاي چند ضلعي از نوع NP-Hard است .

مدلي كه براي پياده سازي انتخاب شده شبكه عصبي پيچيده Belief (NSBN) است كه با استفاده از يك استراتژي رو به عقب در عمليات محاسباتي صرفه جويي مي كند .اين قابليت در معادله زير ديده مي شود:

X = بردار شامل متغيرهاي دو ارزشي تصادفي

X1, X2,…, Xn = يك توپولوژي مركب از n نورون اتفاقي و n = دامنه لايه پنهان كه شبكه را به سوي بهينگي سوق مي دهد . اين بخشها در شبكه به يك ماتريس دوبعدي A mn با n سطر و m ستون تبديل مي شود كه n و m ماتريس هزينه هاي رسيدن هر agent به مقصد است و خروجي عنصر سطر i و ستون j برابر v ij = 1 است هر گاه : i j .

نتيجتا هزينه رسيدن به جواب براي هر agent در معادله 22 بيان مي شود :

شكل 2 : مسير كامل حركت نانوبوت

8 ) پياده سازي فيزيكي – نيازها و پاسخها :

8-1 ) مغزهدايتگر روبات مولكولي :با توجه به اندازه بسيار كوچك روباتها و نياز به محاسبات دقيق در محيطهاي پيچيده ، به يك پردازشگر نانومتري نياز داريم كه از لحاظ زمان ، سوخت و مواد اوليه ارزان باشد .كامپيوترهاي DNA براي اين كار بهترين انتخاب هستند چون خود DNA به عنوان سوخت ، ورودي و خروجي عمل محاسبه مورد استفاده قرار مي گيرد و در مقايسه با سوختهايي مانند ATP گرماي مازاد كمتري ايجاد مي كند . اين وسيله محاسباتي قابل برنامه ريزي تنها با استفاده از سه نوع مولكول كار مي كند:

• يك مولكول DNA ورودي كه كدگذاري داده ها و فراهم كردن سوخت براي محاسبه را انجام مي دهد

• نرم افزارهاي مولكولي DNA كه رمز گذاري قواعد محاسبه را بر عهده دارد.

يك مولكول سخت افزار كه شامل يك آنزيم برنده DNA است .

8-2 )چطور روبات را بدون برانگيختن پاسخ ايمني بدن به بدن واردکنيم؟

براي حل اين مساله من روشي را پيشنهاد مي کنم که خود سلولهاي سرطاني از آن استفاده مي کنند و در اوايل ماه مي سال 2004 کشف شده است .نوعي مولکول در سطح خارجي بسياري از سلولهاي سرطاني و در ساقه سلولهاي جنين انسان يافت مي شود و وظيفه اش جلوگيري از واکنش سيستم ايمني بدن مادر در برابر سلولهاي جنين و نيز مخفي ماندن سلولهاي سرطاني از ديد گلوبولهاي سفيد در بدن بيماران است.

اين کشف حاوي چند ره آورد ارزشمند است :

1 ) نصب اين مولکول بر روي بدن نانوروبات باعث فريب سيستم ايمني شده , از واکنش نسبت به آن جلوگيري مي کند .

2 ) با توجه به اينکه اين مولکول در سلولهاي بالغ و سالم وجود ندارد مي توان از بررسي حضور آن براي کشف محل تکثير سرطان استفاده کرد.

3 ) محققان در تلاشند نوعي پادتن خاص را توليد کنند که خود را به اين مولکول که بر سطح سلولهاي سرطاني حرکت مي کند بچسباند و دارويي را که همراه دارد به درون سلول سرطاني تزريق کند .

4 ) ساخت واکسنهايي براي هوشيار کردن سيستم ايمني در برابر خطر هجوم سرطان با توجه با نحوه عمل اين مولکول

8-3 ) چگونه روبات را در بدن حرکت بدهيم ؟

روبات بايد داراي موتوري باشد که به او توانايي حرکت در خلاف جريان خون , ثابت ماندن در محل عمليات ,حرکت در محل حفره ها و تغيير مسير حرکت را بدهد. ساختارهاي زير به عنوان محرک روبات قابل بررسي اند :

8-3-1 ) Propeller : به دليل امکان ايجاد برخوردهاي کنترل نشده اين موتور را رد مي کنيم.

8-3-2 ) تاژک با سوخت ATP : به دليل شباهت به سيستمهاي طبيعي مناسبتر از مدلهاي الکترومغناطيسي است چون در مقياس مولکولي نيروهاي ناخواسته ايجاد نمي کند.

8-3-3 ) موتور اولتراسونيك با سوخت ATP : در اين موتور موج اولتراسونيك باعث چرخش روتور مي شود و مزيت آن چگالي انرژي بالا ( 5 تا 10 برابر موتورهاي الكترومغناطيسي )و قابليت بالا بردن دامنه نوسانات بلورپيزوالكتريك توسط پديده تشديد براي افزايش انرژي است . در اين موتورها بر خلاف موتورهاي الكترمغناطيسي , بين روتور و استاتور تماس مكانيكي وجود دارد و مولفه هاي مماسي نيرو باعث دوران چرخ مي شوند .

در مجموعه پيشنهادي , براي سوخت دو انتخاب داشتيم :

1 )استفاده از ATP آماده

2 )استفاده از گلوكز براي ساخت ATP بيشتر و دوام فرايند سوخت

به دليل خطرناك بودن بعضي محصولات واكنش گلوكز , فعلا فرض مي كنيم روبات به اندازه كافي با خود ATP حمل مي كند . در محيط آبي واكنشي به شكل زير خواهيم داشت :

	ATP_ase
ATP + H 2 O		ADP + H 3 PO 4 + 8000 cal

و واكنش معكوس آن در حضور نور و كلروفيل به صورت زير است :

ADP + H 3 PO 4 ATP + H 2 O

8-3-4 ) پمپ الکترومغناطيسي: اين وسيله با استفاده از جريان مايع در جلو و عقب پمپ حرکت مي کند . اما افزايش طول احتمالي رشته هاي مغناطيسي ممکن است مشکل ساز باشد

8-3-5 ) پمپ Jet : استفاده از يک پمپ با اجزاي متحرک براي حرکت در پلاسما

8-3-6 ) نيرو محرکه غشايي : استفاده از فشاري که مايع برابعاد روبات وارد مي کند

8-3-7 ) حرکت در راستاي سطح : حرکت بر ديواره رگها با استفاده از گيره هايي که بدون تخريب بافت به آن مي چسبند و به راحتي آزاد مي شوند.

8-3-8 ) موتورهاي DNA و VPL : با توجه به اهميت و قدرت اين موتورها آنها را براي اين پروژه انتخاب کرده, يک بخش کامل از مقاله را به شرح آنها اختصاص خواهيم داد .

8 - 4 )چگونه محل مقصد روبات را پيدا کنيم ؟

براي پيدا کردن بافت بيمار دو نوع سنسور مي خواهيم: 1 - سنسور برد بلند براي پيدا کردن محل تقريبي بافت بيمار

2 -سنسور برد کوتاه براي ايجاد تمايز ميان بافت سالم وبيمار

8-4-1 )سنسور بيروني : هدف: پيدا کردن محل عمل

8-4-1-1 )اولتراسونيک : براي هر دو حالت Active,Pasive

در اين روش يک سيگنال اولتراسونيک به بدن تابانده ميشود و حاصل بازتابش را پردازش مي کنند .در حالت پسيو خود روبات يک سيگنال با الگوي خاص ارسال کرده و با پردازش موج برگشتي اطلاعات جزئي مکاني را بدست مي آورد .اگر از سيگنال گسسته استفاده کنيم توان مصرفي کمتر است اما دقت مکانيابي کم مي شود . اين سيگنال توسط بلور پيزو الکتريک توليد شده و داراي دقت و قدرت مطلوب است.

: NMR/ MRI 8-4-1-2 )

استفاده از فيلدهاي مغناطيسي قوي و آناليز نحوه واکنش اتمهاي بدن به اين اشعه اين روش کند است و براي کسب جواب دقيق به ساعتها وقت نياز دارد .در يک روش مشابه که در برلين مورد آزمايش قرار گرفته نانوذرات مغناطيسي به بافت تومور تزريق شده و يک ميدان مغناطيسي باعث ايجاد ارتعاش و بالا رفتن دما در تومورشده , دارو دفيوز مي شود و اشکال آن سخت بودن تمرکز بر نانو مغناطيس در ابعاد بزرگ بدن انسان است .

8-4-1-3) رنگ آمبزي رادبواکتبو : يک جريان راديواکتيو را وارد جريان خون کرده و با فلوروسکوپ دنبال مي کنيم .

8-4-1-4 ) استفاده از مواد راديواکتيو در داخل بدن روبات : اين روش مزاياي زير را دارد : دقت بالا , تشعشع پيوسته , صرفه جويي در انرژي چون براي نشان دادن محل روبات انرژي مصرف نمي شود , خطر ندارد و با مادون قرمز ديده مي شود .

8-4-1-5 ) اشعه X : براي مطالعه بافتهاي نرم کاربرد ندارد , دير جواب ميدهد و مضر است .

بهترين حسگر برد بلند: 1 ) مواد راديواکتيو در داخل روبات و گيرنده مادون قرمز 2 ) پيزوالکتريک

8-4-2 )حسگرهاي برد کوتاه :

8-4-2-1 )حسگرهاي شبمبابي : داراي حساسيت زباد , ميتواند غلظت بسيار پايين ماده را اندازه بگيرد پس براي تشخيص محل تومورها مي توان روي روبات دو تا حسگر گذاشت که اگر غلظتي که حسگر جلويي اندازه مي گيرد کمتر بود , تغببر مسبر دهد اما به دليل طول کوتاه خود روبات , ابن اختلاف غلظت به سادگي قابل اندازه گبري نبست .مساله اي که اينجا مطرح مي شود , اين است که اگر تعداد مواد شيميايي اندازه گيري شونده زياد باشد , حجم روبات خيلي بزرگ مي شود . براي جلوگيري از اين مشکل , بايد از چندين روبات همکار استفاده کرد که هر يک به ماده خاصي حساس اند.

8-4-2-2 )اسپستروکپ : با استفاده از ليزر بخشي از بافت سلول را بخار کنيم و با استفاده از آناليز خواص شيميايي اش دنبال بافت بگرديم . با توجه به خطرناک بودن قوس الکتريکي ر جاهايي مانند مغز , بهتر است از خازنهاي نانوتيوبي استفاده کنيم که نسبت انرژي به جرمشان بالاست و از ليزر مربوطه براي نابود کردن خود بافت بيمار هم استفاده کنيم .

8-4-2-3 )دوربينهاي تلويزيوني : مي توان روشنايي لازم براي کار با اين دوربينها را با يک ديود ليزري تامين کنيم .

8-4-3 )روشهاي معالجه : نابود کردن کامل بافت بيمار

8-4-3-1 )در مورد چربيهاي ديواره رگها , مي توان توده ها را طوري خرد کرد که توسط مکانيسم طبيعي بدن قابل دفع باشند .

8-4-3-2 )با استفاده از ليزر و تبخير سلول را نابود کنيم , که اين در مورد تومورها چون داراي بافت ناشناخته اند خطرناک است و ممکن است بافتهاي سالم را بيمار کند پس بايد ابتدا به کمک مواد شيميايي درون تومور را نابود کنيم يا توسط تابش امواج مغناطيسي پيوند شميايي سلولهاي تومور را هدف قرار دهيم .

8-4-3-3 )معالجه شيميايي : مخزن مواد شيميايي را با خود به بافت بيمار منتقل کنيم و توسط سمهاي بسيار قوي مانند تتروداکسين آن را از بين ببريم .

8-4-3-4 )استفاده از حرارت و امواج ماکروويو : مشکل: گرم کردن کنترل نشده بافتهاي بدن خطرناک است و اگر ماکروويو داخل خود روبات باشد , بسيار پيچيده مي شود .

8-4-3-5 )اولتراسونيک : چون حرارت بالايي ايجاد نمي کند براي درمان لخته هاي خوني کاربرد ندارد

8-4-3-6 )استفاده از حرارت اهمي : دو تا الکترود روي يک سلول قرار دهد و با ايجاد جريان آن را بپزد که اين براي چربيها و لخته هاي خوني مناسب نيست .بهترين روش : استفاده از ليزر براي تبخير بافت بيمار .

روشهاي ديگر معالجه :

با استفاده از تحريکات ديواره سلول حساسيت آن را به دارو افزايش دهيم و با ايجاد شکاف در داخل سلول راه عبور دارو را مهيا کنيم .

8-4-4 )منبع تغذيه نانوروبات :

8-4-4-1 ) منبع را با خودش ببرد:

1 ) پيل شميايي با نسبت انرژي به جرم پايين 2 ) خازنهاي فشار قوي براي تامين ليزر

3 ) پيلهاي الکتروشيميايي : روبات با خودش دو تا الکترود ببرد که در الکتروليت خون انرژي توليد کنند . مشکل : اگر الکترود ها در خون پوشانده شوند, توليد انرژي متوقف مي شود .

4 ) استفاده از انرژي هسته اي : اگر انرژي هسته اي شيلد شود براي مکان يابي هم با مادون قرمز کار ساده تر مي شود .

8-4-4-2 )انرژي از بيرون تابانده شود

1 ) ماکروويو : مشکل : جذب انرژي توسط ساير بافتهاي بدن

2 ) اولتراسونيک : بلور پيزوالکتريک مي تواند داخل خود روبات باشد و با موجي که از بيرون فرستاده مي شود ارتعاش کند .

3 ) القاي الکترومغناطيسي : يک حلقه چرخان داخل روبات بگذاريم که جريان الکترومغناطيسي ايجاد مي کند و براي پختن سلول بيمار جريان داخل حلقه را به يک مقاومت بفرستيم .

4 ) پمپهاي يونيد به عنوان مبدل انرژي داخل بدن : استفاده از پمپهاي سديم و پتاسيم که درست برخلاف جهت حرکت روبات جريان مايع وارد آنها مي شود و از روي مقدار وارد شده انرژي تامين مي شود .

9 )موتورهاي مولكولي :

قدرت و كارايي بالاي موتورهاي اولتراسونيك باعث شد در فازهاي آغازين پروژه آنها را براي نانوبوتها انتخاب كنم و بعدها شرايط فيزيكي مساله پروژه را به سوي استفاده از سوختهاي طبيعي و موتورهاي طبيعي تر سوق داد.بنده براي بكارگيري سوخت ATP در يك موتور اولتراسونيك Traveling Wave خطي و متمركز كردن عمل موتور و سنسور بدون نياز به توليد جريان متناوب استفاده از نوعي كلروفيل را پيشنهاد كردم كه شرح جزئيات ساختار اين موتور جديد در نتايج تحقيق موجود است .

در مقايسه با پروتئينها ، DNA كوچك و ساده است و ساختار و عملكردش به سادگي درك مي شود .به همين دليل براي ادامه كار موتورهاي VPL را انتخاب كرده ايم.

9-1 )ساختار موتورهاي VPL و انواعش :
در اين موتورها بر ويژگيهاي مكانيكي پروتئينهاي ويروسي براي تغيير نحوه عملكرد بر اساس تغييرات سطح PH محيط متمركز مي شويم. ما پپتيدهاي حياتي زير را براي كار انتخاب كرده ايم :

1) The Influenza virus protein Hemagglutinin (HA) peptide HA2;

2) The Human Immunodeficiency Virus type 1 (HIV 1) peptide gp41;

3) The Human Respiratory Syncytial Virus (HRSV) protein subunit F1;

4) The Simian Immunodeficiency Virus (SIV) protein gp41;

5) The Human T cell Leukemia virus type 1, protein gp21;

6) The Simian Parainfluenza Virus peptide unit SV5;

7) The Ebola virus protein gp2.

پوشش گليكوپروتئين در اين ويروسها مي تواند به دو بخش تقسيم شود كه نتيجه تقسيم proteolytic يك پيش ماده پروتئيني مشترك هستند ولي اعمال متفاوتي را انجام مي دهند . مثلا در مورد HIV1 پيش ماده گليكوپروتئين gp160 است كه از لحاظ proteolytically به دو گروه gp120, gp41 تقسيم مي شود. gp120 زيرمجموعه غشاي انتقالي (TM) است و gp41 به عنوان تركيب غشايي بين پوسته سلولي و ويروس قرار مي گيرد . gp41 و بخشهاي TM مشابه در ساير ويروسهاي ليست بالا وقتي كه ويروس در حالت فعال يا fusogenic است يك ساختار alpha_helical بدست مي آورند .اين ساختار مانند گيره مو است كه از فنر تشكيل شده و داراي يك ترمينال C (Carboxy_end) است و بقيه n ترمينال (Amino_end) هستند و نسبت به تغيير شرايط اسيدي ساختار فنريشان دچار دگرگوني مي شود و پاياني هاي n از كناره داخلي بيرون مي آيند و پپتيد يك موقعيت مرتب شده يا حالت fusogenic بدست مي آورد .

شكل 3 :

الف: 3 فيبر titin مي توانند به عنوان اجزاي فنري پسيو براي اتصال دو platform و تشكيل يك درجه از آزادي در platform هاي موازي استفاده شود كه توسط محرك VPL به كار انداخته مي شود .

ب : يك محرك VPL به بيرون كش آمده و اين باعث حركت خطي platform مي شود .

9-2 )جنبشي شناسي مولكولي :

براي بررسيهاي جنبشي شناسي فرض مي كنيم دنباله هاي اسيد امينه براي ساختن يك manipulator به صورت سري بهم متصل شده اند .اسكلت اوليه اين زنجيره از تكرار سري ) – N-C?-C -) تشكيل شده است . شكل 4 : زواياي چرخشي آزادي در يك زنجيره residue . اسكلت اصلي با خطوط ارغواني مشخص شده ، زنجيره هاي كناري با R و residue هاي مجاور با خطوط سايه دار مشخص شده اند .

9-2-1 ) Kinematics مستقيم :

مساله direct Kinematics ساختار نهايي موتورهاي VPL را با توجه به ساختار اوليه ، پارامترهاي ثابت زنجيره و مجموعه مشخص از زواياي پيچشي مشخص مي كند .

9-2-2 ) Kinematics معكوس :

در اين بخش زواياي پيچشي موتور با استفاده از ساختار اوليه و نهايي داده شده و تمام پارامترهاي ثابت زنجيره محاسبه مي شود .براي اين كار از يك نسخه روش CCD استفاده مي شود كه مخصوص قابليتهاي جنبشي شناسي معكوس در روباتيك است . براي زنجيره هاي پروتئيني بايد زواياي پيچشي براي حركت ترمينال C به مكان مورد نظر ، تنظيم شود . روش CCD شامل تنظيم كردن يك زاويه پيچشي در هر لحظه براي حداقل كردن مجموع مربعات فاصله هاي بين موقعيت جاري و مطلوب end_effector هاست .

تحليلهاي رياضي و مدلهاي فضايي زنجيره هاي پروتئيني براي محاسبه دقيق ويژگيهاي قابل پياده سازي موتورهاي VPL در حال تكميل مي باشد .

10 )نتيجه گيري :

پيشرفتهاي جهاني در زمينه نانوپزشكي و توليد نانوسيستمها چنان سريع است كه يك لحظه عقب ماندن از اين روند ما را براي مدتهاي طولاني از صحنه رقابت حذف خواهد كرد . در طول پروژه حاضر با توجه به تجربيات ديگر كشورها چندين بار مجبور شديم استراتژي حل مساله را تغيير دهيم . در حال حاضر چون در داخل كشور گروههايي وجود ندارند كه به طور منسجم بر روي اين موضوع سرمايه گذاري كنند متاسفانه كارهاي انجام شده تنها جنبه شبيه سازي و محاسبات تئوريكي دارند. محورهاي فعلي پروژه را استفاده از موتورهاي VPL ، شناخت كاربردهاي نانوروبات به عنوان ناقل ژن درماني ، تقليد از تخصص يافتگي WBC ها در سيستم ايمني بدن ، بررسي پتانسيلهاي روباتهاي فراكتالي در ابعاد نانو و شبيه سازي دقيقتر شبكه نانوروباتهاي همكار تشكيل مي دهند كه دستاوردهاي اين حوزه ها در حال تكميل و تدوين است .

اميدواريم كه با توجه به ارزش صنعتي و اقتصادي محصولات نانوبيو و نقش مهمي كه در نجات جان انسانها ايفا مي كنند ، دانشمندان و سازمانهاي تحقيقاتي ايراني نيز در اين وادي با ما همراه شوند تا با كارهاي تيمي هم راستا هر چه سريعتر در صحنه هاي رقابت جهاني نانوروباتيك قادر به ارائه محصولاتي نو و كارا باشيم .

منبع : سايت نانو

نانوتكنولوژي در خدمت پيشرفت صنعت نفت

 

فناوري نانو مي­تواند اثرات قابل توجهي در صنعت نفت داشته باشد، در مطلب زير بعد از اشاره به برخي از اين تأثيرات، تعدادي از كاربردهاي فناوري نانو در صنعت نفت بويژه در بحث آلودگي محيط زيست و نيز سنسورهاي نانو به طور مختصر معرفي گرديده است:

مقدمه

هنگامي كه ريچارد اسملي ( Richard Smally ) برندة جايزة نوبل، بالك مينسترفلورسنس را در سال 1985 در دانشگاه رايس كشف نمود،‌ انتظار اندكي داشت كه تحقيق او بتواند صنعت نفت را متأثر سازد. سازمان انرژي آمريكا ( DOE ) سرمايه‌گذاري خود را در قسمت فناوري نانو با 62 درصد افزايش داد تا مطالعات لازم در زمينة‌ موادي با نام‌هاي باكي‌بال‌ها ( Bulky Balls ) و باكي‌تيوب‌ها ( Bulky Tubes )‌ استوانه‌هاي كربني كه داراي قطر متر مي‌باشند صورت گيرد. نانولوله‌هاي كربني با وزني در حدود وزن فولاد، صد برابر مستحكم ­ تر از آن بوده، داراي رسانش الكتريكي معادل با مس و رساني گرمايي هم ارز با الماس مي‌باشند. نانوفيلترها مي‌توانند به جداسازي مواد در ميدان‌هاي نفتي كمك كنند و كاتاليست‌هاي نانو مي‌توانند تأثير چندين ميليارد دلاري در فرآيند پالايش به‌دنبال داشته باشند. از ساير مزاياي نانولوله‌هاي كربني مي‌توان به كاربرد آن‌ها در تكنولوژي اطلاعات (‌ IT ) نظير ساخت پوشش‌هاي مقاوم در مقابل تداخل‌هاي الكترومغناطيسي، صفحه‌هاي نمايش مسطح، مواد مركب جديد و تجهيزات الكترونيكي با كارآيي زياد اشاره نمود.

علم نانو يك تحول بزرگ در مقياس بسيار كوچك

بسياري از محققان و سياستمداران جهان معتقدند كه علم نانو مي‌تواند تحولات اساسي در صنعت جهاني ايجاد نمايد صنعت نفت نيز از پيشرفت اين تكنولوژي بهره‌مند خواهد گشت.

علم نانو مي‌تواند به بهبود توليد نفت و گاز با تسهيل جدايش نفت وگاز در داخل مخزن كمك نمايد. اين كار با درك بهتر فرآيندها در سطوح مولكولي امكانپذير مي‌باشد.

با توجه به اينكه نانو مربوط به ابعادي در حدود متر مي‌باشد، نانوتكنولوژي به مفهوم ساخت مواد و ساختارهاي جديد توسط مولكول‌ها و اتم‌ها در اين مقياس مي‌باشد.

خوشبختانه كاربردهاي عملي نانو در صنعت نفت جايگاه‌ ويژه‌اي دارند. نانوتكنولوژي ديدگاه‌هاي جديد جهت استخراج بهبوديافتة نفت فراهم كرده است. اين تكنولوژي به جدايش موثرتر نفت و آب كمك مي‌كند . با افزودن موادي در مقياس نانو به مخزن مي‌توان نفت بيشتري آزاد نمود. همچنين مي‌توان با گسترش تكنيك‌هاي اندازه‌گيري توسط سنسورهاي كوچك،‌ اطلاعات بهتري دربارة مخزن بدست آورد.

مواد نانو

صنعت نفت تقريباً در تمام فرآيندها احتياج به موادي مستحكم و مطمئن دارد. با ساخت موادي در مقياس نانو مي‌توان تجهيزاتي سبكتر، مقاومتر و محكم‌تر از محصولات امروزي توليد نمود. شركت نانوتكنولوژي GP در هنگ‌كنگ يكي از پيشگامان توسعة كربيد سيليكون، يك پودر سراميكي در ابعاد نانو مي‌باشد.

با استفاده از اين پودرها مي‌توان مواد بسيار سختي توليد نمود. اين شركت در حال حاضر مشغول مطالعه و تحقيق بر روي ساير مواد مركب مي‌باشد و معتقد است كه مي‌توان با نانوكريستال‌ها تجهيزات حفاري بادوامتر و مستحكم‌تري توليد كرد. همچنين متخصصان اين شركت يك سيال جديد حاوي ذرات و نانوپودرهاي بسيار ريز توليد نموده‌اند كه به‌طور قابل توجهي سرعت حفاري را بهبود مي‌بخشد. اين مخلوط آسيب‌هاي وارده به ديوارة مخزن در چاه را حذف نموده و قابليت استخراج نفت را افزايش مي‌بخشد.

آلودگي

آلودگي توسط مواد شيميايي و يا گازهاي آلاينده يك مبحث بسيار دشوار در توليد نفت و گاز مي‌باشد. نتايج بدست‌آمده از تحقيقات دانشمندان حاكي از آن است كه نانوتكنولوژي مي‌تواند تا حد مطلوبي به كاهش آلودگي كمك كند. در حال حاضر فيلترها و ذراتي با ساختار نانو در حال توسعه مي‌باشند كه مي‌توانند تركيبات آلي را از بخار نفت جدا سازند. اين نمونه‌ها عليرغم اينكه اندازه‌اي در حدود چند نانومتر دارند، داراي سطح بيروني وسيعي بوده و قادر به كنترل نوع سيال گذرنده از خود مي‌باشند. همچنين كاتاليست‌هايي با ساختار نانو جهت تسهيل در جداسازي سولفيد هيدروژن، آب، مونوكسيدكربن، و دي‌اكسيد كربن از گاز‌طبيعي در صنعت نفت بكار گرفته مي‌شوند. در حال حاضر مطالعاتي بر روي نمونه‌هايي از خاك رس در ابعاد نانو و جهت تركيب با پليمرهايي صورت مي‌پذيرد كه بتوانند هيدروكربن‌ها را جذب نمايند. بنابراين مي‌توان باقيمانده‌هاي نفت را از گل حفاري جدا نمود.

سنسورهاي هيدروژن خود تميز كننده

خواص فوتوكاتاليستي نانوتيوب‌هاي تيتانيا در مقايسه با هر فرمي از تيتانيا بارزتر مي‌باشد، بطوري‌كه آلودگي‌هاي ايجادشده تحت تابش اشعة ماوراء بنفش به‌طور قابل توجهي از بين مي‌روند. تا اينكه سنسورها بتوانند حساسيت اصلي خود نسبت به هيدروژن را حفظ نمايد. تحقيقات انجام‌گرفته در اين زمينه حاكي از آن است كه نانوتيوب‌هاي تيتانيا داراي يك مقاومت الكتريكي برگشت‌پذير مي‌باشند، بطوري‌كه اگر هزار قطعه از آن‌ها در مقابل يك ميليون‌ اتم هيدروژن قرار بگيرند، مقاومت الكتريكي آن در حدود يكصد ميليون درصد افزايش مي‌يابد.

سنسورهاي هيدروژن بطور گسترده‌اي در صنايع شيميايي، نفت و نيمه‌رساناها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از آنها جهت شناسايي انواع خاصي از باكتري‌هاي عفونت‌زا استفاده مي‌گردد. به‌ هر حال محيط‌هايي نظير تأسيسات و پالايشگاه‌هاي نفتي كه سنسورهاي هيدروژن از كاربردهاي ويژه‌اي برخوردار مي‌باشند، مي‌توانند بسيار آلوده و كثيف باشند اين سنسورهاي هيدروژن نانوتيوب‌هاي تيتانيا هستند كه توسط يك لاية غيرپيوسته‌اي از پالاديم پوشانده شده‌اند. محققان اين سنسورها را به مواد مختلفي نظير اسيد استريك ( يك نوع اسيد چرب )‌، دود سيگار و روغن‌هاي مختلفي آلوده نمودند و سپس مشاهده كردند كه تمام اين آلوده‌كننده‌ها در اثر خاصيت فوتوكاتاليستي نانوتيوب‌ها از بين مي‌روند. حد نهايي آلودگي‌ها زماني بود كه دانشمندان اين سنسورها را در روغن‌هاي مختلفي غوطه‌ور ساخته و سنسورها توانستند خواص خود را بازيابند. محققان سنسورها را در دماي اتاق به مقدار هزار قطعه در مقابل يك ميليون ‌اتم هيدروژن در معرض اين گاز قرار دادند و مشاهده نمودند كه در طرح‌هاي اولية سنسور مقاومت الكتريكي آن به ميزان 175000 درصد تغيير مي‌كند. سپس سنسورها را توسط لايه‌اي به ضخامت چندين ميكرون از روغن موتور پوشاندند تا بطور كلي حساسيت آن‌ها نسبت به هيدروژن از بين برود. سپس اين سنسورها را در هواي عادي به ‌مدت 10 ساعت در معرض نور ماوراء بنفش قرار دادند و پس از يك ساعت مشاهده نمودند كه سنسورها مقدار قابل توجهي از حساسيت خود را بدست آورده‌ و پس از گذشت 10 ساعت تقريباً بطور كامل به وضعيت عادي خود بازگشتند.

عليرغم قابليت بازگشتي بسيار مناسب اين سنسورها نمي‌توانند پس از آلودگي به انواع خاصي از آلوده‌كننده‌ها حساسيت خود را باز يابند براي مثال روغن WQ -40 به علت دارابودن مقداري نمك خاصيت فوتوكاتالسيتي نانوتيوب‌ها را تا حد زيادي از بين مي‌برد.

با افزودن مقدار اندكي از فلزات مختلف نظير قلع، طلا، نقره، مس و نايوبيم، يك گروه متنوعي از سنسورهاي شيميايي بدست مي‌آيند. اين فلزات خاصيت فوتوكاتاليستي نانوتيوب‌هاي تيتانيا را تغيير مي‌دهند. به هر حال سنسورها در يك محيط غيرقابل كنترل در دنياي واقعي توسط مواد گوناگوني نظير بخار‌هاي آلي فرار، دودة كربن و بخارهاي نفت و همچنين گرد و غبار آلوده مي‌گردند. قابليت خودپاك‌كنندگي اين سنسورها طول عمر آن‌ها را افزايش و از همه مهمتر خطاي آنها را كاهش مي‌دهد.

سنسورهاي جديد در خدمت بهبود استخراج نفت

براساس آخرين اطلاعات چاپ شده توسط سازمان انرژي آمريكا، استخراج نفت در حدود دو سوم از چاه‌هاي نفت آمريكا اقتصادي نمي‌باشد. با توجه به دما و فشار زياد در محيط‌هاي سخت زيرزميني، سنسورهاي قديمي الكتريكي و الكترونيكي و ساير لوازم اندازه‌گيري قابل اعتماد نمي‌باشند و در نتيجه شركت‌هاي استخراج‌ كنندة‌ نفت در تهية ‌اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج كامل و مؤثر نفت از مخازن با برخي مشكلات مواجه مي‌باشند.

در حال حاضر محققان در آزمايشگاه فوتونيك دانشگاه صنعتي ويرجينيا در حال توسعة يك‌سري سنسورهاي قابل اعتماد و ارزان از فيبرهاي نوري جهت اندازه‌گيري فشار، دما، جريان نفت و امواج آكوستيك در چاه‌هاي نفت مي‌باشند. اين سنسورها به‌علت مزايايي نظير اندازة كوچك ،‌ايمني در قبال تداخل الكترومغناطيسي ، قابليت كارآيي در فشار و دماي بالا و همچنين محيط‌هاي دشوار، مورد توجه بسيار قرار گرفته‌اند. از همه مهم‌تر اينكه امكان جايگزيني و تعويض اين سنسورها بدون دخالت در فرآيند توليد نفت و باهزينة‌ مناسب فراهم مي‌باشد. در حال حاضر عمل جايگزيني و تعويض سنسورهاي قديمي در چاه‌هاي نفت ميليون‌ها دلار هزينه در پي دارد. سنسورهاي جديد از نظر توليد بسيار مقرون ‌به صرفه بوده و اندازه‌گيري‌هاي دقيق‌تري ارائه مي‌دهند.

انتظار مي‌رود كه تكنولوژي اين سنسورها توليد نفت را با ارائه اندازه‌گيري‌هاي دقيق و قابل اعتماد و كاهش ريسك‌هاي همراه با اكتشاف و حفاري نفت بهبود بخشد. همچنين سنسورهاي جديد به‌علت برخي كاربردهاي ويژه نظير استخراج دريايي و افقي نفت، جايي كه بكاربستن سنسورهاي قديمي در چنين شرايطي بسيار مشكل مي‌باشد، از توجه ويژه‌اي برخوردارند.

منبع:

http://www.iee.org