تكنولوژي خطشكن، تكنولوژي است که به طور کامل جايگزين تکنولوژي موجود قبلي شده است تا بتواند صنايع را به مدارج بالاتر ارتقا دهد. به عنوان مثال وقتي دستگاه چاپ وارد بازار شد چاپ به طور کلي دچار انقلابي عظيمي گرديد به طوري که ديگر نيازي به تلاش زياد مبلغان ديني براي خلق وگسترش کتابهايشان وجود نداشت وچاپ اين کتب به طور سريع و مداوم درمدت زمان کوتاهي انجام مي شد .
نانوتكنولوژي، نوآوريهايي را در صنايعي همچونIT، صنعت اتومبيلسازي، ساخت لوازم آرايشي، صنعت شيمي وبسته بندي پي ريزي كرده است.
ذخيرهسازي انرژي، تشخيص هاي سريع پزشکي، اندازهگيري وآزمايش، تجزيه وتحليل، پخش دارو، رباتيک و بيومكانيك زمينههايي هستند كه نانوتكنولوژي به دنبال كسب بازار و توليدات آن مي باشد.
امروزه به وسيلهي اين تکنولوژي تشخيص هاي مفيدتر، ارزان تر وسريعتري را درعلم پزشکي نظارهگر هستيم بهعنوان مثال ميتوان بهجاي فرستادن نمونه خون براي تشخيص بيماري به آزمايشگاه، از مانيتورهاي دستي موجود استفاده كرد.
کاربردها و اثرات نانوتكنولو‍‍ژي
همه ي ما با تكنولوژيهاي ميكروسيستم که موتور محرك تکنولوژي اطلاعاتIT، الكترونيك و ارتباطات بوده است آشنا هستيم. توانايي توليد ساختارها ودستگاه ها در ابعاد ومقياس هاي ميكرو باعث شده تا سيستمهاي پيچيده و پيشرفته و ابزارهاي آن همچون تلفنهاي همراه،کامپيوترهاي شخصي، وسايل سرگرمي ومحدوده اي از تجهيزات الکترونيکي روز به روز درحال توسعه باشند.
بخش هاي ديگري که درآنها از نانوتكنولوژي استفاده شده است صنعت خودرو سازي، استفاده شخصي درمنزل و محدوده وسيعي از محصولات خانگي مي باشد.
تركيب الکترونيک وزيست شناسي مي تواند مواد اوليه ودستگاه هاي جديدي را ارائه دهد که بشر رابه سوي استفاده ي گسترده تر از نانوتكنولو‍‍ژي در توليدات هدايت کند .
کاربردها
کاربرد نانوتكنولو‍‍ژي هم اکنون در بازار با عناوين زير وجود دارد :
1- فلاپي ها با لايه هاي از مواد شيميايي درمقياس کوچک که امکان ذخيره اطلاعات وسيع را درفضاي محدود ميسر مي کند .
2- زئوليتها با ابعاد كمتر از 1nm براي توليد پربازده بنزين استفاده مي شود.
3- موادي با قطر 100nm براي حمل داروهاي ضد سرطان در ليپيد اسفر سلول
4- صنعت پوشاک دراثر تغييرات مولکولي واستفاده از فايبرها كه براي ضد آب کردن و مقاوم سازي البسه از اين تکنولوژي استفاده مي کند .
5- اسپري هاي ساخته شده از اکسيد روي که کاهش فشار به پا را به ارمغان مي آورد .
موارد مطرح شده در ذيل مواردي هستند که نانوتكنولو‍‍ژي در کوتاه مدت برآنها اثر مفيدي برجاي گذاشته است:
- رنگ مايه ها وپوشش ها ي لعابي
- سنسورها وابزارهاي تشخيص دهنده ي پزشکي
- توزيع دارو
- جذب انرژي خورشيدي
- توليد مستقيم هيدروژن
- باتري هاي پربازده تر( به خصوص Li-ION)
- تكنولوژيهاي نمايش قابل انعطاف و صفحات الكترونيكي
- كامپوزيتهاي محتوي نانوتيوب
- كامپوزيتهاي نانوذرات متنوع
- كاتاليستها با كاربردهاي فراوان در صنعت و داروسازي
- لعاب دادن و مقاوم سازي به وسيلهي مواد جديد (مانند متههاي حفاري نفت)
- آلياژهاي جديد به عنوان مثال روكشهاي مورد استفاده در دندانپزشكي
- ايمپلنت ها(کاشت دندان )
- عايق بندي
- سنسورها
- موج ياب وژنراتورهاي تک فوتوني (تک نوري )
- ليزرها
- ابزارهاي آناليز
- تکنولوژي هاي جداسازي
- تکنولوژِي هاي تصويربرداري پزشکي
- فيلتر ها
- سمباده
- چسب
- روانكارها و افزودنيهاي روغن و سوخت
- رنگ ها
- سوخت ومواد منفجره
- صنايع نساجي
- نسل جديد حافظه هاي كامپيوتري
- دستگاه هاي چاپ
- اجزاي بصري گوناگون
بيشتر كاربردهاي ذكر شده از پيشرفتهاي حاصل از نانوپودرها حاصل شده است. ايده نانو مقياس واز سوي ديگر نياز بازارموجب به وجودآمدن پيشرفتهايي در ساير رشته ها خواهد شد كه در ادامه به برخي از آنها اشاره مي شود:
1-سيستم هاي ذخيره سازي اطلاعات با ظرفيت بالا براي بالا بردن ميزان اطلاعات موجود در کتابخانه ها
2-كامپيوترهايي شخصي با قدرت مراكز كامپيوتر كنوني
2-تراشههاي که شامل بيش از 1000ساعت بازي وفيلم است .
3-سنسورهاي كاملي براي کنترل محيط، غذا و عملکرد بدن
4- مواد دارويي که تاثير طولاني دارند
5-جابجايي بافت واعضاي بدن
6- موادي با قابليت ضد خوردگي و مقاومت حرارتي بالا
6- توليد عينک بالايه هاي تزئيني بدون ايجاد مسموميت
7- امکان ذخيره سازي هيدروژن براي اقتصاد انرژي باز توليد
8-درمان ارزان با اعمال پزشکي
9- شيشه هاي نشکن سبک
10- ياتاقانهاي بدون نياز به روغنكاري براي صنايع اتومبيل سازي
11- کاتاليزگر ناهمگون با سطح نفوذ پذيري بالا وقسمت واکنش دهنده فشرده
اطلاعات موجود نشانگر اين حقيقت است که هم اکنون در اروپا بيش از 300 کارخانه از نانوتكنولوژي درجهت پيشرفت اهداف اوليه خود استفاده مي کنند. همچنين تعداد زيادي از شرکت ها وسازمان ها بزرگ دراين زمينه فعاليت مي کنند.

منبع :سايت نانو

با وجود متغيربودن نتايج آزمايش‌هاي تعيين مشخصات نانولوله‌هاي كربني، تئوري‌ها نشان از عالي‌ بودن خواص نانولوله‌هاي كربني دارند. به همين دليل در چند سال اخير نانولوله‌هاي كربني در توليد و ساخت نانوكامپوزيت‌ها به عنوان فاز تقويت‌كننده به كار رفته‌اند. اگرچه اكثر مطالعات در زمينة نانوكامپوزيت‌هاي زمينة پليمري بوده است، تلاش‌هايي نيز در ساخت نانوكامپوزيت‌هاي فلزي و سراميکي شده است.
در اين مقاله سعي بر آن داريم که مروري بر تلاش‌هاي صورت گرفته در ساخت نانوکامپوزيت‌هاي توليد شده با استفاده از نانولوله‌هاي کربني داشته باشيم و چالش‌هاي توسعه اين نانوكامپوزيت‌ها را معرفي كنيم.
1- فرآوري و تعيين مشخصات نانوكامپوزيت‌هاي با زمينة پليمري
ويژگي‌هاي عالي نانولوله‌هاي كربني باعث شده است كه گروه‌هاي بسياري بر روي خواص كامپوزيت‌هاي آن كار كنند. توزيع يكنواخت نانولوله‌ها در زمينه كامپوزيت‌ و بهبود چسبندگي نانولوله با زمينه در فرآوري اين نانوكامپوزيت‌ها از موضوع‌هاي بسيار مهم است.
شيوه توزيع نانولوله‌ها در زمينة پليمري از پارامترهاي مهم در استحكام‌دهي به كامپوزيت مي‌باشد. هنگامي كه نانولوله‌ها به صورت طنابي شکل در زمينه پليمري توزيع شوند، لغزش آنها به شدت بر روي خواص الاستيكي كامپوزيت‌ تأثيرگذار خواهد بود. لغزش نانولوله‌ها به علت عدم اتصال قوي بين نانولوله‌ها و زمينه مي‌باشد. آگلومره‌شدن نانولوله‌ها نيز باعث مي‌شود كه نسبت وجهي (طول به قطر) فازِ تقويت كننده كاهش يابد.
توزيع يكنواخت نانولوله‌ها در زمينه پليمري بسيار مشكل است. نانوكامپوزيت‌هاي ساخته‌شده با نانولوله‌هاي كربني و زمينه پلي وينيل- الكل مورد بررسي و تعيين مشخصات قرار گرفته‌اند. با استفاده از تئوري‌‌هاي موجود در زمينه كامپوزيت‌هاي ساخته‌شده با الياف كوتاه، مدول الاستيكي اين کامپوزيت محاسبه شد که در مقايسه با مدول الاستيك يك نانولوله‌ مجزا بسيار كمتر مي‌باشد. هنوز مشخص نشده است كه اين كاهش به علت عيوب لايه‌هاي گرافيتي در ساختمان نانولوله‌ها است و يا به علت بروز مشكلاتي در انتقال تنش از فاز نانولوله به فاز زمينه.
نانوكامپوزيت‌هاي نانولوله‌اي با زمينة پلي‌استيرن (فقط با اضافه‌كردن درحدود 1% وزني نانولوله) درحدود 25% افزايش در استحكام كششي و %42-36 افزايش در مدول الاستيك را نشان مي‌دهند. همانند كامپوزيت‌هاي ساخته‌شده با الياف مرسوم، در نانوكامپوزيت‌ها نيز بيرون‌زدن نانولوله‌، شكست نانولوله و همچنين پل‌زدنِ ترك (bridging) توسط نانولوله در حين شکست اين نانوکامپوزيت‌ها، مشاهده مي‌شود.
همچنين نشان داده‌اند كه در اين نانوكامپوزيت‌ها افزايش %1 وزني از نانولوله تأثيري معادل افزايش %10 وزني از نانوالياف كربني(Carbon Nanofibres) در افزايش مدول الاستيك دارد. استفاده از خواص عالي نانولوله‌ها در نانوكامپوزيت‌ها وابسته به استحكام پيوند فصل مشترك نانولوله و زمينه مي‌باشد.
نشان داده شده است كه با استفاده از موادي مانند [1]AIBN مي‌توان پيوندهاي p نانولوله‌ها را باز كرد. در نانوكامپوزيت‌هاي نانولوله‌‌اي با زمينة پلي متيل متاكريلات امكان برقراري پيوند C-C بين نانولوله‌ وزمينه وجود دارد.
توزيع نانولوله‌ها با استفاده از يك مادة فعال سطحي غيريوني نيز مورد ارزيابي قرار گرفته است. توزيع بهبوديافته و افزايش استحكام اتصال فصل مشترك نانولوله با زمينه در نانوكامپوزيت با زمينة اپوكسي باعث افزايش %30 در مدول الاستيك فقط با اضافه‌كردن %1 وزني نانولوله مي‌شود.
در زمينة فصل مشترك نانولوله با زمينة پليمري مطالعات فراواني انجام شده است. محاسبه شده است که انرژي پيوند و نيروي اصطكاكي بين نانولوله و پليمرها نقش چنداني در استحكام فصل مشترك ندارد. فاكتور كليدي در استحكام فصل مشترك تشكيل ساختار مارپيچي پليمر، در اطراف نانولوله مي‌باشد.
توزيع نانولوله‌ها در زمينة پليمري به صورت تصادفي است. بنابراين تلاش‌هاي زيادي براي آراستن نانولوله‌ها در زمينة پليمري به منظور تقويت بهتر پليمر انجام شده است. نشان داده شده است كه با كشش مكانيكي نانوکامپوزيت مي‌توان نانوكامپوزيتي با نانولوله‌هاي هم‌راستا به دست آورد. از پراش اشعه ايكس نيز براي تعيين جهت و راستاي اين نانولوله‌ها استفاده مي‌شود. همچنين از روش ريسيدن مذاب نيز براي آرايش نانولوله‌ها استفاده كرده‌اند. علاوه بر آرايش نانولوله‌ها، محققان تلاش‌هايي نيز براي بافتن نانولوله‌ها و تشكيل الياف نانولوله‌اي انجام داده‌اند.
2- نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه فلزي و سراميكي
در مورد نانوكامپوزيت‌هاي بر پايه نانولوله‌هاي كربني بيشترين تمركز بر روي نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه پليمري بوده است. با اين حال خواص منحصربه فرد نانولوله‌ها در سراميك‌ها نيز مي‌تواند به كار گرفته شود. سراميك‌ها داراي سفتي و پايداري حرارتي بسيار بالا و چگالي پايين مي‌باشند. يكي از مشكلات سراميك‌ها در به‌كارگيري به عنوان اجزاي سازه‌اي، ترد بودن آنها مي‌باشد. بنابراين به نظر مي‌رسد كه نانولوله‌هاي كربني بتوانند در افزايش چقرمگي سراميك‌ها مؤثر باشند. تركيب نانولوله‌هاي كربني با سراميك‌ها پتانسيل توليد موادي با مقاومت گرمايي، چقرمگي و مقاومت به خزش بالا را دارد.
با استفاده از ذرات SiC و %10 وزني نانولولة كربني و استفاده از پرس در دماي بالا، نانوكامپوزيت‌هايي را توليد كرده‌اند كه گزارش شده است اين كامپوزيت‌ها‌ بهبودي10 درصدي در استحكام و چقرمگي شكست آن داشته‌اند.
محققان ديگري نيز تكنيك‌هايي را براي ساخت نانولوله‌هاي كربني به صورت درجا به هدف توليد پودرهاي كامپوزيتي (نانولوله‌هاي كربني/ اكسيد فلزات) توسعه داده‌اند. سپس اين پودرها به منظور توليد يك قطعه كامپوزيتي در دماي بالا فشرده شده‌اند.
گروهي ديگر از محققان نيز از روش‌هاي الكتروليز براي توليد نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه فلزي توسط نانولوله‌هاي كربني استفاده كرده‌اند. اين بررسي‌ها بهبود اندكي را در هدايت الكتريكي آلومينيوم با افزايش درصد حجمي نانولوله نشان مي‌دهد.
نتيجه‌گيري
خواص مكانيكي و فيزيكي عالي نانولوله‌هاي كربني، به همراه چگالي پايين آنها، كربن را به عنوان يك كانديداي عالي براي استحكام‌دهي به كامپوزيت‌ها معرفي كرده است.
درك كامل از رفتار حرارتي- مكانيكي نانوكامپوزيت‌هاي ساخته‌شده با نانولوله‌هاي كربني، نياز به آشنايي با رفتار الاستيك و خصوصيات شكست نانولوله‌هاي كربني و همچنين فصل مشترك ماده در زمينه با نانولوله دارد. با اين حال اين نيازها در كامپوزيت‌هاي رايج نيز احساس مي‌شود؛ فقط در حال حاضر ابعاد فاز تقويت‌كننده از ميكرومتر به سمت نانومتر كاهش يافته است.
همچنين با كاهش‌يافتن ابعاد، چالش‌هايي در فرآوري اين كامپوزيت‌ها، تعيين مشخصات، اندازه‌گيري رفتار الاستيك و شكست آنها نيز وجود دارد. تحقيقات اوليه، پتانسيل بالاي نانولوله‌ها را در تقويت‌كردن مواد نشان مي‌دهد ولي مطالعات بنيادي براي رفع چالش‌هاي ذكرشده بسيار مهم مي‌باشد.

[1]-azobisisobutyronitrile

منبع :سايت نانو

اولين فولرين كشف‌شده باكي‌بال بود، كه به علت شباهت با گنبد ژئودزي آرشيتكت معروف باكمينستر فولر، باكمينستر فولرين نيز خوانده مي‌شد. اين ماده را ريچارد اسمالي، رابرت كرل و هاري كروتو در سال 1985 در دانشگاه رايسِ هوستون، خلق كردند. اين افراد به خاطر اكتشافشان در جايزه نوبلِ 1996 با يكديگر شريك شدند. باكي‌بال مولكولي از 60 اتم كربن (C60) به شكل يك توپ فوتبال است، كه به صورت شش‌ضلعي‌ها و پنج‌ضلعي‌هاي به‌هم پيوسته‌اي آرايش يافته‌اند. در اندك‌زماني، فولرين‌هاي ديگري كشف شدند كه از 28 تا چندصد اتم كربن داشتند. با اين حال C60 ارزان‌ترين و سهل‌الوصول‌ترين آنهاست و فولرين‌هاي بزرگ‌تر هزينه بسيار بيشتري دارند. لغت فولرين كل مجموعه مولكول‌هاي توخالي كربني را كه داراي ساختار پنج‌ضلعي و شش‌ضلعي مي‌باشند، پوشش مي‌دهد. نانولوله‌هاي كربني- كه از لوله‌‌شدن صفحات گرافيتي با آرايش شش‌ضلعي ساخته مي‌شوند- در صورت بسته‌بودن انتهايشان، خويشاوند نزديك فولرين به حساب مي‌آيند. در واقع آنها به مثابه فولرين‌هايي مي‌باشند كه با قراردادن كربن در نصف‌النهارشان به صورت لوله درآمده‌اند. با اين حال در اينجا لفظ فولرين‌ها دربرگيرنده نانولوله‌ها نيست. روش‌هاي توليد درواقع فولرين‌ها به مقدار اندكي در طبيعت، در حين آتش‌سوزي و صاعقه‌زدگي پديد مي‌آيند. شواهدي وجود دارد كه انقراض موجودات دورة پرمين در 250 ميليون سال پيش، حاصل برخورد يك شيء حاوي باكي‌بال‌ها بوده است. با اين حال فولرين‌ها اولين‌بار در دودة حاصل از تبخير ليزري گرافيت كشف شدند. اولين فرآيند توليد انبوه، روش تخلية قوس الكتريكي (يا كراچر- هوفمن) بود، كه در سال 1990 با استفاده از الكترودهاي گرافيتي توسعه‌يافت. در اين فرآيند بيشتر C60 و C70تشكيل مي‌شود. اما مي‌توان با تغييراتي مثل استفاده از الكترودهاي متخلخل‌تر به فولرين‌هاي بالاتر نيز دست يافت. با استفاده از حلال‌هايي همچون تولوئن مي‌توان بهC60 با خلوص تقريباً 100% دست يافت. اندكي بعد، گروهي درمؤسسه فناوري ماساچوست (MIT) شروع به توليد C60 در شعله بنزن كردند. از پيروليزِ[1] تركيبات آروماتيك بسياري براي توليد فولرين‌ها استفاده شد. ثابت شده كه روش‌هايي همچون اسپاترينگ و تبخير با پرتو الكتروني (روي گرافيت)، موجب افزايش بازده توليد فولرين‌هاي بالاتري همچون C78, C76, C70 و C84 مي‌شود. دانشگاه كاليفرنيا در لوس آنجلس (UCLA) در اين زمينه اختراعاتي را به ثبت رسانده است. خواص فولرین ها باکي‌بال‌‌ها از نظر فيزيکي مولکول‌هايي بيش از حد، قوي هستند و قادرند فشارهاي بسيار زياد را تحمل کنند، به طوري كه پس از تحمل 3000 اتمسفر فشار به شکل اوليه خود برمي‌گردند. به نظر مي‌رسد استحکام فيزيکي آنها در بخش مواد داراي توان بالقوه‌اي باشد. با اين حال آنها مثل نانولو‌له‌ها به جاي پيوند شيميايي، با نيروهاي بسيار ضعيف‌تري (نيروهاي واندروالس) به هم مي‌چسبند، که مشابه نيروهاي نگهدارندة لايه‌هاي گرافيت است. اين مسأله موجب مي‌شود باکي‌بال‌‌ها مثل گرافيت داراي قابليت روان‌کنندگي شوند؛ هر چند اين مولکول‌ها به دليل چسبيدن به شکاف‌ها براي بسياري از کاربردها خيلي کوچکند. باکي‌بال‌‌هاي چند پوسته موسوم به نانوپيازها (Nanonion)، بزرگ‌ترند و قابليت بيشتري براي استفاده به عنوان روان‌کننده دارند. روش خلق آنها با خلوص بسيار بالا از طريق قوس الکتريکي زيرآبي در دسامبر 2001 توسط گروهي از دانشگاه کمبريج در انگلستان و مؤسسة هيمجي در ژاپن ارائه شد. اينکه باکي‌بال‌‌ها به خوبي به يکديگر نمي‌چسبند، به اين معنا نيست که در جامدات ديگر کاربرد ندارند. وارد‌کردن مقادير نسبتاً اندک از آنها در يک زمينة پليمري، موقعيتي براي آنها به وجود مي‌آورد كه بخشي از استحکام بالا و دانستية پايين آنها را به مادة حاصل مي‌بخشد.

تحقيقاتي روي کاهش لغزندگي باکي‌بال‌‌ها انجام شده است. کمي قبل از روش فوق‌الذکر براي توليد نانوپيازها، لارس هولتمن و همکارانش از دانشگاه لينکوپينگ در سوئد برخي از اتم‌هاي کربن باکي‌بال‌ را با نيتروژن جايگزين کرده، موجب پيوند آنها با هم، به صورت ماده‌اي سخت اما الاستيک شدند. اين باکي‌بال‌‌هاي اصلاح شده نيز پوسته‌هايي را روي خود شکل داده و به همين علت آنها نيز نانوپياز خوانده مي‌شوند. فولرين‌ها و مواد مربوطه توانمندي بالايي در كاتاليزگري دارند. گروهي در مؤسسة فريتزهابر در برلين از باكي‌پيازها (باكي‌بال‌هاي چندلايه) در فرآيند مهم تبديل اتيل بنزن به استايرن استفاده كرده‌اند. حداكثر راندمان راهكارهاي موجود 50% است، اما اين محققان در تجربيات اوليه خود به راندمان 62% رسيده و انتظار بيشتر از آن را هم دارند. با اين حال به نظر مي‌رسد خود باكي‌پيازها در حين واكنش مقداري از نظم ساختاري خود را از دست بدهند (Angewandte Chemie International Edition, 41, 1885-1888). international SRI نيز متوجه خواص كاتاليزوري فولرين‌ها و مواد وابسته به آنها از جمله دودة حاصل‌شده در حين روش‌هاي قوس الكتريكي و احتراق شده است. اين دوده حاوي انواع اشكال كربن است، كه ممكن است تاحدي ساختار شش‌ و پنج‌ضلعي فولرين را داشته باشند، اما بخش‌هاي باز‌شده‌اي هم جهت كاركردهايي به عنوان يك كاتاليزور داشته باشند. از اين دوده مي‌توان براي هيدروژناسيون يا د‌هيدروژناسيون آروماتيك‌ها، اصلاح روغن‌هاي سنگين و تبديل متان به هيدروكربن‌هاي بالاتر در فرآيندهاي پيروليتيك يا رفرمينگ استفاده كرد. فولرين‌ها خواص الكتريكي جالبي دارند و به همين دليل كاربردهاي متعددي، از قطعات ذخيرة داده تا پيل‌هاي خورشيدي براي آنها پيشنهاد شده است. محققان Virginia Tech از لايه‌هاي آلي انعطاف‌پذير استفاده كرده‌اند. در حال حاضر كارآيي اين پيل‌ها يك‌پنجم پيل‌هاي فوتوولتائيك سيليكوني مرسوم است (حدود 4-3% در مقايسه با 20-15% پيل‌هاي خورشيدي مرسوم)، اما محققان اميدوارند با كنترل بهتر نانوساختارها به كاركرد قطعات سيليكوني يا حتي فراتر از آن دست يابند. از خواص الكتريكي فولرين‌ها مي‌توان استفاده‌هاي بالقوه‌اي نيز در آشكارسازهاي نوري اشعه ايكس نمود، كه كارهاي Siemens از آن جمله است. يك استفادة ديگر از خواص الكتريكي فولرين‌ها در پيل‌هاي سوختي است. سوني از آنها براي جايگزيني مولكول‌هاي بزرگ پليمر در غشاهاي الكتروليتي پيل‌هاي سوختي متانولي (جهت مصارف الكترونيكي شخصي) سود جسته است. نتيجة كار يك پيل سوختي بوده است كه در دماهاي پايين‌تر از نمونه‌هاي داراي غشاي پليمري كار مي‌كند. سوني معتقد است اين پيل سوختي مي‌تواند ارزان‌تر هم تمام شود. سوني از فولرين‌ها در پيل‌هاي سوختي هيدروژني هم استفاده كرده است تا از قابليت‌ آنها در انتقال پروتون بهره‌برداري كند (غشاهاي تبادل پروتون اساس اين پيل‌هاي سوختي مي‌باشند). فولرين‌ها درون نانولوله‌ها نيز قرار داده شده‌اند تا چيزي به نام غلاف نخود[2] پديد آيد. اولين كار از اين دست در اوايل 2002 در جنوب كره (دانشگاه ملي سئول) و آمريكا (دانشگاه پنسيلوانيا در فيلادلفيا) به ترتيب با استفاده از C82 و C60 صورت گرفت. فولرين‌ها رفتار الكتريكي نانولوله‌ها را تغيير داده، مناطقي با خواص نيمه‌رسانايي مختلف را پديد مي‌آورند. نتيجه مي‌تواند مجموعه‌اي از ترانزيستورهاي پشت سرهم در يك نانولوله باشد. با تغيير مكان فولرين‌ها مي‌توان اين خواص را تغيير داد و حتي محققان دانشگاه ايالتي ميشيگان پيشنهاد استفاده از آنها براي خلق قطعات حافظه را داده‌اند. با اين حال چنين راهكاري بسيار دور از كاربرد است (راهكارهاي رقيب بسياري در نانوالكترونيك و حافظه وجود دارند).

"شبيه‌سازي كامپيوتري يك عنصر حافظه مبتني بر نانولوله. نانولوله دربرگيرنده يك مولكول C60 است. C60 به دليل حمل يك اتم قليايي در قفس خود حاوي يك بار شبكه‌اي است. با اعمال ميدان الكتريكي مي‌توان فولرين را بين دو سر اين" "كپسول جابه‌جا كرد. دو كمينة انرژي اين سيستم در هنگام اتصال C60 به دوسر كپسول است، كه از آن مي‌توان به بيت0 و بيت 1 استناد نمود. باتشكر از ديويد تومانك، دانشگاه ايالتي‌ ميشيگان" "http://www.pa.msu.edu/~tomanek"

مواد مبتني بر فولرين‌ها مصارف مهمي در قطعات فوتونيك دارند (فوتونيك معادل الكترونيك است با اين تفاوت كه در آن از نور به جاي الكتريسيته استفاده مي‌شود). فولرين‌ها يك پاسخ نوري (تغيير خواص نوري در هنگام تابش نور) بسيار بزرگ را از خود نشان داده‌اند و ممكن است براي مصارف مخابراتي مناسب باشند. خواص نوري غيرخطي را مي‌توان با افزايش يك يا چند اتم فلزي در بيرون يا درون قفس فولرين‌ها ارتقا داد. فولرين‌ها همچنين در نابودي راديكال‌هاي آزاد- كه باعث آسيب بافت‌هاي زنده مي‌شوند- مفيدند. لذا پيشنهاد شده است از آنها در مواد آرايشي جهت حفاظت پوست يا در درمان آسيب‌هاي عصبي ناشي از راديكال‌ها- كه نتايج آزمايش‌هاي آنها در خرگوش‌ها موفقيت‌آميز بوده است- استفاده شود. C60 هم‌اندازة بسياري از مولكول‌هاي داراي فعاليت زيستي، همچون داروي پروزاك و هورمون‌هاي استروئيدي است. لذا سنگ بناي مناسبي براي واريانت‌هاي داراي فعاليت زيستي به شمار مي‌رود. باكي‌بال‌ها كنشگريِ فيزيكي و شيميايي بالايي نسبت به مكان فعال يك آنزيم مهم HIV، موسوم به HIV پروتئاز دارند و آن را مسدود مي‌كنند. HIV پروتئاز هدف داروهاي ضدايدز كنوني است، اما به علت عملكرد مشابه آنها ويروسHIV نسبت به آنها مقاوم شده است. باكي‌بال‌ها، HIV پروتئاز را به اشكال مختلفي هدف مي‌‌گيرند و لذا مقاومت فوق‌الذكر نمي‌تواند مانع آن شود. همان‌طور كه پيش‌تر ذكر شد، پتانسيل C60 در حفاظت از اعصاب اثبات شده است و از محفظه‌هاي ساخته‌شده از آنها مي‌توان براي دارورساني سود جست. به مصارف باكي‌بال‌هاي حاوي اتم‌هاي محبوس‌شده – موسوم به فولرين‌هاي درون‌وجهي- بعداً اشاره خواهد شد. علاقة قابل ملاحظه‌اي در نيمه دوم 2001 پس از تحقيق آزمايشگاه‌هاي بل و لوسنت پديد آمد. اين تحقيق نشان داد كه فولرين‌ها در بالاي دماي نيتروژن مايع مي‌توانند ابررسانا شوند. اين يافته از آنجا مهم است كه نيتروژن مايع نسبتاً ارزان است اما ايجاد دماهاي پايين‌تر از آن بسيار سخت‌تر است. با اين حال ابهاماتي در اين مورد پديد آمد، چون محقق مربوطه – هندريك شون- چندي بعد در يك مطالعه الكترونيك مولكولي نيز از نمودارهاي مشابهي استفاده كرد. بعدها كار باكي‌بال‌ها نيز مورد تشكيك قرار گرفت و تاكنون كسي كار او را تكرار نكرده است. البته ابررسانايي فولرين‌ها و مشتقات در دماهاي بسيار پايين (چند ده درجه كلوين!)، اثبات شده است. در همان زمان ادعاي ديگري در مورد خاصيت مغناطيسي يك پليمر ساخته‌شده از باكي‌بال‌ها در دماي اتاق- اولين مغناطيس غيرفلزي- مطرح شد. با اين كه اشتباهي در اين مورد ديده نشده است، اما اين كار هم تكرار نشده است. گذشته از اين، كمي بعد پليمر ديگري گزارش شد كه بدون باكي‌بال داراي همان خاصيت بود. از فولرين‌ها مي‌توان به عنوان پيش‌سازي براي ديگر مواد، همچون روكش‌هاي الماسي يا نانولوله‌ها استفاده كرد (مثلاً سوني با حرارت‌دادن فولرين‌ها و پلاتين به نانولوله‌ها رسيده است). از فولرين‌ها به طور محدودی در تحقيقات بنيادي مكانيك كوانتومي استفاده شده است؛ چون آنها بزرگ‌ترين ذره‌اي هستند كه در آنها دوگانگي موج- ذره ماده ديده شده است (در اين تجربه مشاهده شده كه يك مولكول C60 هم‌زمان از دو مجراي مختلف مي‌گذرد). كاركردي‌سازي طي فرآيند موسوم به كاركردي‌سازي(functionalization)، مي‌توان براي اصلاح خواص فولرين‌ها گروه‌هاي شيميايي را به يك اتم كربن آنها متصل نمود. تعداد زياد اتم‌هاي كربن موجود باعث ملقب‌شدن فولرين‌ها به جاسنجاقي مولكولي، مخصوصاً در متون پزشكي شركت CSixty شده است. تحقيقات مربوط به كاركردي‌سازي فولرين‌ها به طور خاص در چند سال اخير افزايش يافته است، تا به جاي ايجاد پليمرها، تحقيقات معطوف واريانت‌هاي داراي فعاليت زيستي شود. يك مثال زيبا از گروه‌های عاملی طولاني، خلق توپ بدمینتون[3] (شكل) توسط گروهي در دانشگاه توكيو بود. اين مولكول‌ها در مصارف بلور مايع كاربرد خواهند داشت، كه مي‌تواند بسيار فراتر از نمايشگرهاي بلور مايع و در زمينه‌هايي همچون اپتيك غيرخطي، فوتونيك و الكترونيك مولكولي باشد (Nature 419, 702-705). دانشگاه توكيو كارهاي جالبي در زمينه خلق مخلوط‌هاي فروسن‌ها و فولرين‌ها انجام داده است. فروسن‌ها تركيباتي حاوي آهن و گروه‌هاي آلي هستند، كه ده‌ها سال پس از زمان كشفشان توجه زيادي را به خود جلب كرده‌اند. مخلوط آنها با فولرين‌ها مي‌تواند منجر به توليد محفظه‌هاي دارورساني با اساس نانوساختارهاي داراي خواص الكترونيكي و فتونيكيِ مفيد شود. در اين دانشگاه محفظه‌هايي با بيش از حدود 13000 مولكول C60 اصلاح‌شده با نمك پتاسيم پنتافنيل فولرين، ساخته شده‌اند. دانشگاه رايس با همكاري مؤسسة فيزيك فشار بالاي آكادمي علوم روسيه بر روي فلوريناسيون پلي‌فولرين‌ها، زنجيره‌هاي پليمري و صفحات C60 كار مي‌كنند. پلي‌فولرين‌ها نسبت به پليمرهاي آلي همچون پلي‌اتيلن، پلي‌پروپيلن يا نايلون از پايداري بسيار بيشتري برخوردارند و افزايش فلوئور به پلي‌فولرين‌ها به شيميدانان كمك مي‌كند تا راحت‌تر با آنها كار كنند. محققان SRI International نيز روي خلق پليمرهاي مبتني بر فولرين‌ها با اتصال گروه‌هاي آمين به C60 كار كرده‌اند. نتيجه كار، انواع پليمرهاي داراي اتصالات عرضي بوده است كه براي روكش‌دهي پاششي، غوطه‌وري يا چرخشي مناسب مي‌باشند و پايداري حرارتي بالايي دارند. فولرين‌هاي درون‌وجهي يك عرصه تحقيقاتي كه لااقل به اندازه كاركردي‌سازي فولرين‌ها فعال است، جاي‌دهي اتم‌ها درون آنهاست. به مواد حاصل، فولرين‌هاي درون‌وجهي گفته مي‌شود، كه به صورت X@C60 بيان مي‌شوند. (X اتم محبوس و C60 يك فولرين است). عناصر واكنش‌دهنده را مي‌توان درون قفس فولرين‌ها تثبيت كرد. عنصر محبوس‌شده مي‌تواند خواص الكتروني و مغناطيسي فولرين را تغيير دهد (مي‌تواند الكترون خود را به فولرين ببخشد). خلق فولرين‌هاي درون‌وجهي چالش‌برانگيز است. راهكارهاي سادة آن، شامل خلق فولرين‌ها در حضور عنصر مورد نظر است، اما راندمان اين روش معمولاً كمتر از 1% است. با اين حال برخي از محققان همچون لوتار دانچ از مؤسسه تحقيقات مواد و حالت جامد لايپ‌نيتز ادعا كرده‌اند، با تنظيم شرايط واكنش مي‌توان به راندمان و انتخاب‌پذيري بالايي دست يافت. يك راهكار ديگر، مخلوط ‌نمودن فولرين‌ها و مواد مورد نظر و قراردادن آنها در معرض دما يا فشار بالا يا استفاده از يك روش شيميايي براي باز نمودن فولرين‌هاست. محققان UCLA نحوه ايجاد حفرات كاملاً بزرگ را كنترل كرده‌اند، اما بستن آنها هنوز خارج از كنترل است. تعداد فراواني از عناصر از جمله گازهاي بي‌اثر در فولرين‌ها كپسوله شده‌اند. در اين حالت اتم محبوس‌شده تمايلي براي پيوند با اتم‌هاي كربن پيرامون ندارد، اما مي‌تواند مصارفي همچون تصويربرداري تشديد مغناطيسي (MRI) داشته باشد. استفاده از فولرين‌هاي درون‌وجهي براي مصارف تصويربرداري پزشكي نيازمند محلول‌بودن آنها در آب است. فولرين‌هاي بالاتر (بالاتر از C60) مشتقاتي دارند كه عموماً انحلال‌پذيرترند اما گران‌تر هم مي‌باشند. فولرين‌هاي درون‌وجهي C60 معمولاً نامحلول‌تر و حساس‌تر به آب‌اند، اما در عوض ارزان‌تر مي‌باشند. كاركردي‌سازي مي‌تواند قابليت انحلال‌پذيري در آب و پايداري درهوا را بهتر كند. علاوه براين ديده شده كه مشتقات C60 به‌خوبي از بدن دفع مي‌شوند، حال آن كه فولرين‌هاي بالاتر همچون C تمايل خود به تجمع‌ در شش، كبد و استخوان را آشكار كرده‌اند. سازگاري نسبتاً بالاي سيستم‌هاي زيستي به كربن، يكي از دلايل توانمندي باكي‌بال‌ها در مصارف پزشكي مي‌باشد. از رسانش راديوايزوتوپ‌ها به سلول‌هاي سرطاني تا MRI هرچيزي كه درون حفاظ باكي‌بال‌ها باشد، از تماس با بدن در امان است. از همه مهم‌تر اين كه باكي‌بال‌ها آنقدر كوچك هستند كه از طريق كليه و ترشحات بدن دفع شوند. با اين حال سيستم‌هاي زيستي را مي‌توان نسبت به باكي‌بال‌ها حساس نمود (مثلاً با استفاده از پادتن‌ها در روي آنها) تا حضور باكي‌بال‌ها را در بافت‌ها و سيالات زيستي آشكار كنند. محققان دانشگاه رايس مولكول‌هايي از C60 و ديگر فولرين‌ها را طراحي كرده‌اند كه داراي يك اتم دروني گادولينيوم و يك ضميمه شيميايي (جهت انحلال در آب) مي‌باشند. در عوامل مرسوم ايجاد تباين MRI، اتم گادولينيوم به يك مولكول معمولي متصل مي‌شود و به‌سرعت از بدن دفع مي‌گردد، اما گادولينيوم محبوس در فولرين مي‌تواند زمان درازتري را در بدن به سر ببرد. همچنين محققان Virginia Tech سه اتم فلزي را به همراه يك اتم نيتروژن درون قفس فولرين C60 قرار مي‌دهند، تا عوامل ايجاد تباين چندمنظوره‌اي را بسازند- مثلاً دو اتم براي تصويربرداري MRI و يكي براي تصويربرداري اشعه ايكس. جواز اين كار به Luna Nanomaterials، كه محصول خود را trimetaspheres مي‌خواند، داده شده است. اين شركت مدعي است كه عوامل ايجاد تباين او 50 برابر عوامل مرسوم Magnevist (كه ثبت اختراع آن در حال انقضاست) كارآيي دارد. Luna بازار عوامل ايجاد تباين MRI خود را يك ميليارد دلار برآورد كرده است. Virginia Tech در اوايل 2002 در كاري ديگر، مشتق آلي يك متافولرين را ساخت كه قابليت انحلال بيشتري دارد و بيشتر به درد مصارف زيستي مي‌خورد. هدف نهايي، چسباندن گروه‌هاي محلول در آب همچون پپتيدها يا زنجيره‌هاي آبدوست به آنها مي‌باشد. ساختارهاي وابسته به فولرين‌ها هنگام ملاحظه قابليت‌ فولرين‌ها لازم است به ساختارهاي جالب وابسته به آنها، همچون نانولوله‌هاي كربني يا مواد مختلف موجود در دوده فولرين‌ها هم توجه كنيم. علاوه بر اين اگر هندسه‌هاي محتمل ديگر را درنظر داشته باشيم، وجود حلقه‌هاي با بيش از 6 اتم (مثل هفت و هشت ضلعي‌ها) موجب ايجاد انحنا در خلاف جهت پنج‌ضلعي‌هاي فولرين‌ها مي‌شود. اشكال كربني مبتني بر اين انحناي منفي مدت‌ها پيش با نام شوارتزيت‌ها مطرح شده بودند و سرانجام در اواخر 2002 ساخته شدند (Applied Physics Letters 81, 3359-3361). اين مواد به‌شدت متخلخل، قابليت‌هايي در كاتاليزگري، ذخيره سوخت و زيست‌مواد دارند و بنابراين رقيب فولرين‌ها به شمار مي‌‌آيند. مواد ديگري كه قابل توجه‌اند، فولرين‌هايي هستند كه از عناصري به غير از كربن ساخته شده باشند. Applied Nanomaterials متخصص ساخت معادل‌هاي معدني نانولوله‌ها و فولرين‌هاست. آنها ادعا مي‌كنند ساخت اين مواد ساده‌تر است و داراي مصارفي در بازار الكترونيك، كامپوزيت‌ها و روان‌كننده‌ها مي‌باشند.

1 - تغییر ماهیت يك ماده با حرارت ولي بدون سوزاندن آن

2 -Peapod 3-Shuttlecock

مقدمه نانوساختارهای کربنی از رشد قابل ملاحظه‌ای در سال‌های اخير برخوردار بوده‌اند. همگام با ساير کشورها در ايران نيز تحقيقات در زمينه نانوساختارهای کربنی از رشد فزاينده‌ای برخوردار می‌باشد. در آزمايشگاه تحقيقاتی لايه نازک دانشگاه تهران در زمينه ساخت نانولوله‌های کربنی و کاربرد آنها در ساخت ادوات گسيل الکترونی، پژوهش مستمری در چند سال گذشته انجام شده است که قسمتی از آن به صورت مقاله زير ارائه می‌شود. آزمايش‌ برروی نانولوله‌های کربنی با استفاده از رشد آنها بر روی بسترهای سيليکونی و با تکنيک بخار شيميايي انجام می‌گيرد. در اين روش که به صورت شماتيک در شکل (1) به نمايش گذارده شده است گازهای حاوی کربن (خصوصا استيلن) مورد استفاده قرار مي‌گيرند که در رآکتوری از جنس کوارتز و در حضور پلاسمای سرد، به صورت راديکال‌های مناسب در آمده و برروی هسته‌بندی مناسبی از عنصر کاتاليستی مانند نيکل و يا کبالت لايه‌نشانی می‌گرند. در صورتی که شرايط محيطی مانند دما و فشار گاز و نيز ميزان کاتاليست و دانه‌بندی اوليه آن مناسب باشند، رشد نانوساختارها به صورت عمودی و با خلوص و پراکندگی مناسب انجام می‌گيرد. علاوه بر گاز استيلن که عامل لايه‌نشانی کربن می‌باشد گاز هيدروژن نيز از اهميت بالايی برخوردار می‌باشد و در تعيين هسته‌بندی اوليه لايه کاتاليزور و نيز اصلاح رشد نانولوله‌ها نقش تعيين‌کننده‌ای را بازی می‌کند. در شکل‌های (2) و (3) تصاويری با ميکروسکوپ الکترونی مربوط به برخی نمونه‌ها ارائه شده است که نمايش‌دهنده اثر شرايط رشد برروی کيفيت نانوساختارها می‌باشد.

شکل (2) نمايشی از رشد بدون حضور پلاسمای سرد (شکل راست) و رشد متراکم نانولوله‌های کربنی در حضور پلاسمای سرد (سمت چپ). بدون پلاسما يک رشد کاملاً نامنظم حاصل می‌شود.

شکل (2) نشان‌دهنده رشد بدون نظم مشخص می‌باشد که بدون حضور پلاسما و صرفاً در شرايط گرمايشی حاصل شده است. لازم به ذکر است که دمای رشد نانوساختارهای کربنی با استفاده از پلاسمای سرد بين 550 و 650 درجه سانتيگراد می‌باشد که معمولا بدون حضور پلاسما منجر به رشد کاملاً نامنظم می‌گردد.

شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی از هسته‌های نيکلی به صورت عمودی. در شکل سمت راست رشد متراکمی از نانوساختارهای کربنی به صورت عمودی مشاهده می‌گردد. دانه‌بندی اوليه عنصر کاتاليزور (نيکل) اهميت بالايی در اين رشد همگون دارد.

در شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی به صورت تقريباً عمودی و حجيم ديده می‌شود که در حضور پلاسما و با چگال توانی در حدود mW/cm2 10 حاصل شده است. در بسياری از موارد نياز به چنين رشد متراکمی داريم که از موارد مهم آن نمايشگرهای گسيل الکترونی از نوک‌های تيز نانولوله‌های کربنی می‌باشد. اين‌گونه ساختارها با توجه به شکل بسيار تيز خود امکان خروج الکترون با اعمال ولتاژهای پايين را مهيا می‌سازند. گسيل الکترونی از نوک لوله‌ها در اثر اعمال ولتاژ به آنها کاربردهای متعدد ديگری از جمله در ساخت اشعه‌های الکترونی متمرکز[ 1و2 ]و فرآيند ليتوگرافي دارد.

نانوساختارهای گسيل الکترون پس از رشددادن نانولوله‌ها، با استفاده از روش انباشت بخار شيميايي (CVD)، اکسيد تيتانيوم را به صورت بخار شيميايی و در فشار اتمسفری بر روي آنها لايه‌نشاني مي‌کنيم. اين مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهميت بالايی برخوردار می‌باشد. اين مرحله در همپوشاني نانوساختارها از اهميت بالايي برخوردار مي‌باشد. چرا كه به نانوساختارهاي نيمه‌توخالی و به صورت لوله‌ای امكان تحقق مي‌دهد. سپس با استفاده از روش لايه‌نشاني با تبخير به کمک باريکة الکتروني، لايه‌اي به ضخامت 1 ميکرومتر از فلز کروم روي آن مي‌نشانيم. اين لايه نشانی برای ايجاد گيت‌های کنترل‌کننده برای ترانزيستورها و نيز بعنوان لنزهای الکتروستاتيکی در حالت ليتوگرافی مورد استفاده قرار می‌گيرد. براي آشکار شدن نوک نانولوله‌ها، از روش زدايش مکانيکي_شيميايی استفاده مي‌کنيم. در مرحلة بعدي با استفاده از تکنيک plasma-ashing نوک نانولوله‌ها را باز مي‌کنيم. استفاده از گاز حاوی اکسيژن در اين مرحله نقش اساسی دارد، چرا که بدون صدمه‌زدن به ساختارهای محافظت‌کننده، فقط نانوساختارهای کربنی را بسوزاند تا به‌تدريج از ارتفاع نانولوله‌ها کاسته شده، به شکل مناسب دست يابيم. شکل 4 نحوة عملکرد و شمای اين ساختار را نشان مي‌دهد. بدين ترتيب نانولوله‌ها براي گسيل الکتروني آماده مي‌شوند. با اعمال ولتاژ مناسب بين نانوساختارهای کربنی از يک طرف و صفحه مقابل که نقش‌ آند را بازی می‌کند از طرف ديگر، جريان الکترون‌ها آشکار شده و ميزان اين جريان به وسيله ولتاژ بر روی گيت کاهش می‌يابد. قسمت ديگر شکل 4، تصوير ميکروسکوپ الکتروني از ساختار کامل شده نانولوله‌ها را نشان مي‌دهد. با توجه به انجام مرحله پوليش مکانيکی – پلاسمايی، برخی از نانولوله‌ها که از شرايط مناسبی از نظر ارتفاع و قطر برخوردار نيستند عملا در ارسال جريان الکتريکی نقشی ندارند.

شکل (4) نماي شماتيک يک نانوساختار کربنی و استفاده آن در ساخت ساتع کننده الکترونی. توضيح بيشتر در متن آورده شده است. در تصوير مقابل نمايشی از تصوير ميکروسکوپ الکترونی مربوط به مجموعه‌ای از اين ساتع کننده‌های الکترونی مشاهده می گردد.

صفحه آند که معمولاً از جنس ويفر سيليکوني می‌باشد در فاصله مناسب از بستر توليدکننده الکترون قرار می‌گيرد. در شکل‌های زير رفتار الکتريکی مجموعه‌ای از نانوساختارهای کربنی به نمايش گذارده شده است که حاکی از عملکرد مناسب اين مجموعه می‌باشد. ساختارهای نانومتری که در اين مقطع محقق شده‌اند قابليت انجام ليتوگرافی در ابعاد نانومتری را نيز دارند. در شکل‌های زير برخی از نتايج اين تحقيق آورده شده است که حاکی از موفقيت اين تکنيک در شکل‌دهی با ابعاد بسيار کوچک می‌باشد. برای اين منظور بستر حاوی نانولوله‌ها را در فاصله‌ 100 ميکرومتري از لايه حساسي که روي بستر سيليکون نشانده شده است، قرار مي‌دهيم. سپس بعد از اعمال ولتاژي حدود 100-80 ولت بين صفحه بالايي و پشت بستر نانولوله‌ها، آنها را نسبت به هم به حرکت در مي‌آوريم. اتصال ديگري بر روي فلز

شکل (5) نمايش رفتار الکترونيکی نانوساختارهای کربنی با پوشش دولايه از جنس اکسيد تيتانيوم و فلز. شکل چپ نشان‌دهنده جريان آشکار شده در طرف آند با توجه به ولتاژهای آند-کاتد. شکل راست نشان‌دهنده جريان آشکار شده در آند و کنترل آن توسط گيت ترانزيستور می‌باشد.

شکل (6) :تاثير پرتو الکتروني گسيل شده روي ماده‌ي حساس پليمري به همراه حرکت خطي که توسط سيستم مکانيکي ايجاد شده است.

نانولوله‌ها برقرار مي‌کنيم و با اعمال ولتاژ منفي بر آن(نسبت به بستر نانولوله‌ها) پرتوي الکتروني را باريک‌تر مي‌کنيم. الکترونها در اثر انرژی‌اي که پيدا می‌کنند به سمت صفحه آغشته شده به لايه‌ حساس شتاب مي‌گيرند و روی اين ماده تاثيرات شيميايی از خود به جا مي‌گذارند تا در مرحلة حکاکی طرح، الگو روی نمونه حکاکی شود. بعد از اينکه اشعه الکترونی متمرکزي به قطر 100 نانومتر ساختيم، نمونه را در زمان‌های مناسبی در معرض برخورد اشعه الکترونی قرار داديم. بعد از اين مرحله لايه نازکی از طلا را جهت ظاهرشدن الگو توسط دستگاه تبخير خلا، لايه‌نشانی کرديم. اثر گسيل الکتروني بر روي ماده حساس پليمري را توسط ميکروسکوپ الکتروني آناليز کرديم. شکل6، تصاوير SEM حاصل از گسيل الکترون از نوک نانولوله‌ها را نشان مي‌دهد. قسمت الف اين شکل، اثر گسيل الکتروني يک نانولوله را در مدت 1 دقيقه نشان مي‌دهد. همچنين در قسمت ديگر، اثر گسيل خوشة (cluster) متشکل از چند نانولوله در همان مدت زمان ديده مي‌شود. نتيجه گيری در اين مقاله گذری به پيشرفت‌های حاصل‌شده در آزمايشگاه لايه نازک دانشگاه تهران، که منجر به توليد نانولوله‌های کربنی و نانوساختارهای کربنی گرديده است شده است. با استفاده از قابليت‌های زيادی که در اين نانوساختارها موجود می‌باشد، امکان استفاده از آنها در ليتوگرافی در مقياس نانومتری و در جهت ساخت ترانزيستورهای MOSFET زير 100 نانومتر مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه اين روند تحقيقاتی امکان بهبود اين نانوساختارها در تحقق کريستال‌های فوتونی و نمايشگرهای با دقت بالا بررسی خواهند شد.

مراجع

[1] Guillorn, M. A., M. D. Hale, V. I. Merkulov, M. L. Simpson, G. Y. Eres, H. Cui, A. A. Puretzky, and D. B. Geohagen "Integrally gated carbon nanotube field emission cathodes produced by standard micro-fabrication techniques," J. Vac. Sci. Tech. B. Vol. 21, May 2003, 957-959. [2] Wang, Q.H., Yan, M, and Chang, R P H, Flat panel display prototype using gated carbon field emitters. Applied-Physics-Letters (USA), 78, 1294, 2001. [3] J. Koohsorkhi ; H. Hosseinzadegan ; S. Mohajerzadeh; M. D. Robertson; “Novel self-defined field emission transistors with PECVD-grown Carbon Nano-tube on silicon substrates” presented at Device Research Conference 2004. [4] J. Koohsorkhi ; H. Hosseinzadegan ; S. Mohajerzadeh; E. Asl Soleimani and E. Arzi; “PECVD-grown carbon nano-tube on silicon substrate suitable for realization of field emission devices” Journal of Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, accepted for published, 2004.

منبع :سايت نانو

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

خلاصه :

: امروزه نانوفناوري به طور گسترده‌اي در حال ارتقاء و بهبود كيفيت بسياري از توليدات است. بسياري از صنايع مي كوشند به نحوي از اين فرصت بوجود آمده براي افزايش كارايي و كيفيت محصولات و كاهش قيمت آنها استفاده كنند. ماهيت نوپا بودن نانوفناوري و قرار داشتن آن در مراحل اوّليه كاربرد بسياري از صنايع كشورمان را قادر مي‌سازد در اين زمينه سرمايه‌گذاري كرده و به فكر استفاده از نتايج و مزاياي اين فناوري باشند. يكي از مواردي كه در حال حاضر نانوفناوري در آن به طور گسترده و مؤثري مورد استفاده قرار گرفته‌است پوشش‌دهي نانوساختاري است. ويژگيهاي پوشش‌هاي نانوساختاري در بسياري از موارد نسبت به پوششهاي معمولي بهبودهاي چشمگيري را نشان داده‌است كه از جمله آنها مي‌توان به افزايش سختي، مقاومت دربرابر خوردگي، سايش، پوسيدگي، آلودگي‌هاي محيطي و ... اشاره كرد.اين گزارش مي‌كوشد برخي از مهمترين كاربردهاي پوشش‌دهي نانوساختاري كه در حال حاضر مورد استفاده قرارگرفته و يا در آينده خيلي نزديك بكارگرفته خواهند شد، را بيان کند. در بخش‌هاي مختلف بيشتر به موارد قابل كاربست براي صنايع داخلي توجه شده‌است.

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/papers/attach/1.pdf

منبع :سايت نانو

خلاصه :
شكي نيست كه بهداشت و درمان در حال حاضر از مقوله هاي بسيار پر اهميت در دنياي توسعه يافته امروزي تلقي مي شوند بگونه اي كه امروزه آغاز مبارزه با فقر را با شروع بهداشت و درمان يكسان مي دانند. جمهوري اسلامي ايران در راستاي تحقق عدالت اجتماعي و توسعه كشور به اين مقوله توجه خاصي مبذول داشته است و در اين راستا به موفقيتهاي چشمگير در منطقه دست يافته است. اختصاص 5/7 درصد از درآمد ناخالص ملي به اين امر، داشتن شاخصهاي بهداشت و سلامت بالاتر از ميانگين كشورهاي منطقه و پياده سازي برنامه هاي كشوري مبارزه با بيماريها از آن جمله اند. علاوه بر آن نانوتكنولوژي به عنوان فناوري پويا با قابليتهاي فراوان چندي است كه توانسته است تحولات گسترده اي در زمينه تحقيقات و توليد محصولات با خواص ويژه ايجاد كند. بهداشت و درمان نيز با توجه به اهميت ويژه اي كه دارند نيز از مقوله هاي عمده مورد توجه اين فناوري بوده است. گزارش پيش رو علاوه بر معرفي وضعيت بهداشت و درمان و آموزش پزشكي در ايران و معرفي قابليتهاي نانوتكنولوژي در اين عرصه، ضرورت ورود ايران جهت دست يابي به اين فناوري در حوزه پزشكي و داروسازي مورد تاكيد قرار داده است.

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/reports/attach/report_Health%20_830912.pdf

منبع: سايت نانو

خلاصه :
با توجه به تحقيقات به عمل آمده چهار ماده نانومتري هستند که کاربرد فراواني در صنعت لاستيک‌سازي پيدا کرده‌اند، چهار ماده مورد نظر عبارتند از: اکسيد روي نانومتري(Nano ZnO)، نانو کربنات کلسيم ،الماس نانومتري، ذرات نانومتري خاک¬رس .در اين گزارش به بررسي اثر اين مواد بر خواص لاستيک و همچنين به معرفي برخي شرکت‌ها که در زمينه توليد اين مواد وکاربرد آنها در صنعت لاستيک فعاليت مي‌کنند پرداخته مي شود.

به دليل حجم بالاي نوشته ميتوانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/papers/attach/nanorubber.pdf

منبع :سايت نانو

خلاصه :
كاربرد‌هاي‌ نانوتكنولوژي‌ ‌همه جا‌‌ همراه با هزينه كمتر، دوام‌ و عمر‌ ‌بيشتر، ‌مصرف انرژي‌ پايين‌تر، ‌‌هزينه نگهداري‌‌ كمتر و خواص بهتر است. يکي از چشم‌اندازهاي اميد‌وار‌کنندة اين تکنولوژي پيشرفته تحول در صنعت خودرو‌سازي مي‌باشد. يکي از اصلي‌ترين موضوعات نانو‌تکنولوژي، ساخت مواد با خواص جديد است. اين مواد‌ ارزش افزوده ‌‌بسيار بالا‌ و كارايي‌ بالاتري در تمام صنايع‌ خواهند داشت‌ كه ‌صنعت‌ خودرو‌ نيز از آن مستثني نمي‌باشد. ‌ ساخت بدنه‌هاي‌ سبكتر‌ و مقاومتر‌ براي خودرو، ساخت‌ لاستيك‌هايي با مقاومت‌‌‌ سايشي‌‌ بهتر، ساخت‌ ‌قطعات موتور با عمر چند برابر، ‌كاهش مصرف‌ سوخت خودرو،‌ ساخت باتر‌ي‌هايي با انرژي‌‌ ‌بالا‌ ‌و دوام بيشتر، نانوساختارهايي مبتني بر کربن به عنوان سوپر اسفنج هيدروژني در خودروهاي پيل‌سوختي، ساخت‌ حسگر‌ها‌ي چند منظوره براي كنترل ‌فرايند‌هاي‌ مختلف‌‌ در خودرو‌‌، ساخت‌ كاتاليز‌ور‌هاي‌ ‌‌اگزوز ‌‌خودرو جهت‌ كاهش آلودگي ‌‌هوا، لايه‌هاي خيلي‌‌ محكم ‌‌با خصوصيات‌ ‌ويژه‌اي مثل ‌الكتروكروميك‌ (رنگ‌پذيري‌ الكتريكي) يا خود‌پاك‌كنندگي‌‌‌ براي استفاده‌ در شيشه‌ها و آينه‌هاي خودرو و سازگار‌ كردن‌‌ خودرو با محيط‌‌‌زيست‌ و بسياري‌ از موارد ديگر‌ از جمله كاربرد‌هايي هستند‌ كه نانو‌تكنولوژي ‌‌در صنعت‌ ‌خودرو خواهد داشت .در اين گزارش پس از بررسي کاربردهاي نانوتکنولوژي در صنعت خودرو شرکتهاي فعال در اين زمينه معرفي شده و نمونه اي از فعاليتهاي تجاري در صنعت خودرو ارائه مي گردد .نمونه هايي از پروژه هاي نانو تکنولوژي در صنعت خودرو و معرفي سمينارهاي برگزار شده در سال 2003 از ديگر بخشهاي اي گزارش مي باشد.

به دليل حجم بالاي نوشته ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/reports/attach/automotive13830515.pdf

منبع: سايت نانو

خلاصه :
از جمله مقوله‌هاي بسيار مهم در صنعت داروسازي بحث دارورساني کنترل‌شده به بدن است. همانطور که مي‌دانيم در روش‌هاي معمول مصرف داروها، چه خوراکي، چه تزريقي و چه ساير روش‌ها، دارو در سراسر بدن توزيع يافته و لذا علاوه بر اينکه تمام بدن تحت تأثير اثرات دارو قرار مي‌گيرد، و عوارض جانبي داروها بروز مي‌کند براي دست‌يابي به يک اثر خاص نياز به مصرف مقادير زيادي از دارو مي‌باشد. تاکنون تحقيقات زيادي جهت رفع اين مشکل صورت گرفته است و با ورود نانوتکنولوژي به عرصة تحقيقات علوم دارويي، استفاده از اين فناوري، در در دست‌يابي به دارورساني هدفمند نيز مورد توجه محققين قرار گرفته است. باتوجه به اينکه ذرات حاوي داروها از اهميت خاصي در توليد مواد دارويي برخودار هستند و ذرات در اندازه‌هاي نانو داراي خواص ويژه‌اي مي‌شوند که مي‌توانند در رفع مشکلات رايج دارورساني مفيد واقع شوند و عموماً توليد اين ذرات نيازمند روش‌هاي بسيار پيچيده‌اي نيست سعي شده است که مجموعه‌اي در خصوص کاربرد نانوذرات در دارورساني تهيه شود. به منظور گزارشي تحت عنوان - کاربرد نانوذرات در دارورساني - تهيه گرديده است. در اين گزارش در ابتدا به معرفي نانوذرات، اهميت بازارهاي دارورساني و تأثير نانوفناوري بر صنعت داروسازي و دارورساني و مزاياي استفادة آن در اين صنعت اشاره شده است. مباحث بعدي اين گزارش شامل توليد و شناسايي نانوذرات است. درنهايت بخش عمدة گزارش به بررسي استفاده از نانوذرات در حل مشکلات عمدة دارورساني از جمله دارورساني پروتئين‌ها، دارورساني سرطان و دارورساني به مغز ، دارو رساني به چشم ، کنترل عفونتهاي داخل سلولي و کاهش مقاومت چند دارويي پرداخته است.

به دليل حجم بالا ميتوانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد.

http://nano.ir/reports/attach/Nano%20particle_pharmcology13821215.pdf

منبع :سايت نانو

خلاصه :
از جمله زمينه‌هاي مساعد جهت ورود نانوتکنولوژي، عرصة صنايع آرايشي و بهداشتي مي‌باشد. با رشد روزافزون جمعيت و افزايش آگاهي‌هاي عمومي در خصوص توجه بيشتر به مقولة بهداشت و مواد آرايشي و بالتبع افزايش تقاضاي اين محصولات و رقابت چشمگير در اين صنعت چه در سطح کشورها و چه در عرصة بين‌المللي، لزوم ورود اين صنعت را به عرصة نانوتکنولوژي اجتناب‌ناپذير کرده است همچنانکه بعضي شرکت‌ها از جمله شرکت معروف فرانسوي L’Oreal از سال 1997 يعني زماني که هنوز نانوتکنولوژي چندان مطرح نبوده است با توليد نانوکپسول‌ها و استفاده از آن‌ها در فرمولاسيون محصولات خود پا به عرصه نانوتکنولوژي گذاشته‌اند و در همين راستا به موفقيت‌هاي چشمگيري نيز دست يافته‌اند. به اين منظور جهت افزايش آگاهي‌ علاقه‌مندان گزارشي با عنوان کاربرد نانوتکنولوژي در صنايع آرايشي و بهداشتي تهيه گرديده است. در اين گزارش سعي شده است که در ابتدا به مزيت‌هاي نانوتکنولوژي در اين صنعت اشاره شود. سپس از شرکت‌هايي که از نانوتکنولوژي در توليد محصولات خود استفاده کرده‌اند، همراه با معرفي محصولات آن‌ها اسم برده شده است. از جمله اين محصولات کرمهاي ضدآفتاب، کرمهاي ضدچروک و ضدپيري و انواع رژ لب مي‌باشد. از نکات جالب توجه در اين گزارش وجود چندين شرکت آسيايي در ليست مذکور است که نشان‌دهندة آگاهي اين شرکت‌ها و رويکرد آنها به استفاده از نانوتکنولوژي در توليد محصولات خود مي‌باشد.

به دليل حجم بلاي نوشته ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد

http://nano.ir/reports/attach/Cosmetics_color831215.pdf

منبع :سايت نانو

خلاصه :

اين مقاله گزارشي از کارگاه کاربردهاي نانوفناوري در علوم پزشکي و بعنوان گزارشي از آغاز فعاليتهاي پژوهشي و سرمايه گذاري دولت کانادا در زمينه نانو پزشکي مي باشد که در فوريه 2003 در کشور کانادا منتشر شد در اين مقاله ابتدا تعريفي از نانو فناوري ارائه شده است و بدنبال آن به شاخه هاي مختلف علو پزشکي و علوم دارويي که در آن ها نانو فناوري وارد عرصه شده است اشاره گرديه است و به پيشرفت هايي که در هر زمينه با ورود نانو فناوري صورت خواهد گرفت و يا در حال صورت گرفتن است اشاره شده است اين زمينه ها عبارتند از: 1 – داروسازي 2 – مواد اساسي جهت ساخت کاشتني ها در بدن 3 – وسايل کاشتني در بدن 4 – جراحي 5 – وسايل تشخيصي 6 – درک فعاليتهاي پايه اي زندگي در آخر نويسندگان با ارائه ليستي از محققين مختلف در زمينه نانو پزشکي و ارائه زمينه هاي کاري هر کدام امکان آشنايي با افراد پيشگام در اين زمينه را فراهم نموده اند . مطالعه اين مقاله خواننده را تا حد زيادي از توهماتي که نسبت به نانو فناوري و بالاخص نانو پزشکي وجود دارد خارج ساخته و با ارائه کارهاي تحقيقاتي پيشرو و در حال انجام در دنيا نگرش تازه اي براي خواننده ايجاد کرده و آينده اي روشن در زمينه نانو فناوري پيش روي او قرار مي دهد.

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/papers/attach/article_147-820601.pdf

منبع : سايت نانو

خلاصه :
با ورود نانوتکنولوژي به عرصة زندگي بشر، و استفاده از اين فناوري در پيشرفت علوم زيستي و پزشکي، علم دندانپزشکي نيز از اين فناوري بي‌نصيب نمانده است. بي‌شک اميد مي‌رود مشکلاتي که تاکنون در زمينة دندانپزشکي بالاخص در خصوص مواد مورد استفاده وجود داشته است، با استفاده از نانوتکنولوژي مرتفع گردند. مشکلاتي چون عدم استحکام مواد و يا عدم زيبايي مناسب، مشکل نگهداري و يا استفاده اين مواد، همه و همه گوياي نياز به ورود محصولاتي ايده‌آل به عرصة دندانپزشکي ترميمي است. در گزارش - کاربرد نانوتکنولوژي در دندانپزشکي - سعي شده است با گوشه‌اي از دستاوردهاي نانوتکنولوژي در زمينة دندانپزشکي آشنا شويم. اين گزارش در 26 صفحه با موضوعاتي چون اهميت نانوتکنولوژي در دندانپزشکي، اهميت بازارهاي مرتبط با محصولات دندانپزشکي و درنهايت ليستي از شرکتهاي مطرح در زمينة دندانپزشکي که از نانوتکنولوژي در توليد محصولات خود استفاده مي‌کنند، به همراه معرفي محصولات آن‌ها که بيشتر از دسته نانوکامپوزيت‌ها مي‌باشند، تدوين گرديده است.

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/reports/attach/Nanodental_site.pdf

منبع : سايت نانو

خلاصه :
يكي از رشته‌هايي كه با ورود نانوتكنولوژي به عرصة علم و فناوري به ميزان زيادي تحت تأثير پيشرفت‌هاي اين فناوري قرار گرفته است‌ علوم پزشكي مي‌باشد. انسان همواره درصدد نگهداري سلامتي خود بوده و يا خواستة او اين بوده است كه با از دست‌ رفتن اين سلامتي آن را در صورت امكان به حالت اوليه برگرداند و يا در حالتي ايده‌آل‌تر بتواند بر نواقص ذاتي، جسمي و فكري خود فائق آيد. دستيابي به نانوتكنولوژي تاحدودي توانسته است به برخي از اين آرزوها جامة عمل بپوشاند و يا اميد مي‌رود در آينده‌اي نزديك گره بسياري از مشكلات پيچيدة بخش تشخيص و درمان بيماري‌ها را باز نمايد. به همين منظور جهت آشنايي هرچه بيشتر محققان و خوانندگان با اثرات نانوتكنولوژي بر دو بخش تشخيص و درمان بيماري‌ها، گزارشي تحت عنوان «كاربردهاي نانوتكنولوژي در تشخيص و درمان بيماري‌ها» تهيه گرديده است. اين گزارش كه منتخب كارهاي تحقيقاتي در سال‌هاي 2003 و 2004 در زمينة نانوتكنولوژي در تشخيص و درمان بيماري‌ها است در 53 صفحه تهيه شده است كه عناوين برجستة آن عبارتند از: نانوتكنولوژي و درمان سرطان ، نانوتكنولوژي و داروها ،نانوتكنولوژي و بررسي ژن‌ها و ....

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/reports/attach/Nanotreatment_with%20references_1.pdf

منبع: سايت نانو

خلاصه :
گزارش حاضر به كاربرد ها وامكانات فراهم شده توسط نانوتكنولوژي در تصويربرداري پزشكي ميپردازد

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/reports/attach/report_nanoimaging830721_vs.pdf

منبع: سايت نانو

خلاصه :
نانوتكنولوژي در زمينه‌هاي گوناگون علم وارد شده است و در صنايع مختلف نيز محصولاتي بر پايه نانوتكنولوژي ايجاد شده است. در اين ميان افزودني هايي كه به روغن موتور اضافه مي شوند نيز تحت تاثير نانوتكنولوژي قرار گرفته و محصولاتي بر پايه نانوتكنولوژي در اين عرصه وارد بازار گشته كه خصوصيات بسياري براي آنها ذكر شده است. به طور خلاصه خصوصياتي كه براي اين افزودني ها ذكر شده است عبارتند از: كاهش ضريب اصطكاك، كاهش مقدار ساييدگي در اجزاء موتور، ترميم سطوح درگير و بهبود خواص سطحي، افزايش بازده موتور در اثر افزايش فشار در سيلندر، كاهش مصرف سوخت در اثر كاهش اصطكاك، افزايش طول عمر موتور، كاهش مصرف روغن موتور، كاهش هزينه تعميرات و نگهداري و چندين مورد ديگر كه در ادامه هر مورد به تفصيل بررسي خواهد شد.

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/papers/attach/all_you_need_to_know_about_motor_oil_additives.pdf

منبع: سايت نانو

خلاصه :
توانايي بشر براي كنترل دنيا در مقياس اتم‌ها و مولكول‌ها به نقطه‌اي بحراني رسيده است، پيشرفت‌هاي علمي در حوزه‌هاي مختلف در حال رشد سريع و بارور كردن يكديگر هستند و با مقادير بي‌نظيري از سرمايه‌گذاري‌هاي دولتي، سرمايه‌گذاري شركت‌ها و مقادير رو به رشد و جالب توجهي از سرمايه‌گذاري‌هاي مخاطره‌آميز حمايت مي‌شوند. انقلاب فناوري نانو با صراحت تمام شروع شده است و سرانجام تمامي ابعاد زندگي ما را تحت تأثير قرار خواهد داد. فناوري نانو به سرعت در بسياري از جبهه‌ها در حال پيشرفت است و به نظر مي‌رسد سريعاً پويايي برخي از بزرگترين صنايع، از فناوري اطلاعات تا توليد انرژي و هوافضا، را تحت تأثير قرار دهد. اين پيشرفت‌ها مربوط به آيندة خيلي دوري نيستند، بلكه در همين نزديكي ما هستند. بذر برخي از آنها از قبل پاشيده شده و در سال‌هاي نزديک به بار خواهند نشست

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/reeports/attach/Application%20Report-831106.pdf

منبع: سايت نانو

خلاصه :
در گزارش حاضر، برخي از برآوردهاي بازار فعلي فناوري‌نانو و پيش‌بيني‌هاي بازار آتي اين فناوري، گردآوري و مورد مقايسه و بحث قرار گرفته‌اند. در ابتداي گزارش برخي از مشكلات عمدة پيش‌بيني بازار فناوري‌نانو ارائه شده است. اين مشكلات به طور كلي عبارتند از: تعريف فناوري‌نانو، تفكيك اطلاعات نانو از غيرنانو، عدم اطلاع از اوضاع مالي شركت‌هاي خصوصي، سرعت تغيير اطلاعات، نوع نگاه به بازار و اتفاقات متحول‌كننده در عرصة نانو. تخمين‌هاي بازار فناوري‌نانو نيز به دو دستة بازار كلي و بازار بخش‌هاي خاص ازجمله مواد و الكترونيك تقسيم شده است. در نهايت مشخص شد که بازار کلي فناوري‌نانو در سال 2005 حدود 200 ميليارد دلار و رشد سالانة آن تا سال 2011 حدود 30 درصد خواهد بود. همچنين طبق پيش‌بيني‌هاي مختلف، مشخص شد که پيش‌بيني 1000 ميليارد دلاري بنياد ملي علوم آمريکا براي اين بازار در سال 2011 چندان دور از انتظار نيست. مشخص‌ترين پيش‌بيني بازار نانوالکترونيک نيز حدود 76 ميليارد دلار براي سال 2014 بود که در مقايسه با بازار فعلي الکترونيک، چندان منطقي به نظر نمي‌رسد. بازار نانومواد نيز حدود 30 ميليارد دلار براي سال 2006 پيش‌بيني شده است.

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/reports/attach/Nanotech_Market_V2_493_831120.pdf

منبع: سايت نانو

مقدمه نانوساختارهای کربنی از رشد قابل ملاحظه‌ای در سال‌های اخير برخوردار بوده‌اند. همگام با ساير کشورها در ايران نيز تحقيقات در زمينه نانوساختارهای کربنی از رشد فزاينده‌ای برخوردار می‌باشد. در آزمايشگاه تحقيقاتی لايه نازک دانشگاه تهران در زمينه ساخت نانولوله‌های کربنی و کاربرد آنها در ساخت ادوات گسيل الکترونی، پژوهش مستمری در چند سال گذشته انجام شده است که قسمتی از آن به صورت مقاله زير ارائه می‌شود. آزمايش‌ برروی نانولوله‌های کربنی با استفاده از رشد آنها بر روی بسترهای سيليکونی و با تکنيک بخار شيميايي انجام می‌گيرد. در اين روش که به صورت شماتيک در شکل (1) به نمايش گذارده شده است گازهای حاوی کربن (خصوصا استيلن) مورد استفاده قرار مي‌گيرند که در رآکتوری از جنس کوارتز و در حضور پلاسمای سرد، به صورت راديکال‌های مناسب در آمده و برروی هسته‌بندی مناسبی از عنصر کاتاليستی مانند نيکل و يا کبالت لايه‌نشانی می‌گرند. در صورتی که شرايط محيطی مانند دما و فشار گاز و نيز ميزان کاتاليست و دانه‌بندی اوليه آن مناسب باشند، رشد نانوساختارها به صورت عمودی و با خلوص و پراکندگی مناسب انجام می‌گيرد. علاوه بر گاز استيلن که عامل لايه‌نشانی کربن می‌باشد گاز هيدروژن نيز از اهميت بالايی برخوردار می‌باشد و در تعيين هسته‌بندی اوليه لايه کاتاليزور و نيز اصلاح رشد نانولوله‌ها نقش تعيين‌کننده‌ای را بازی می‌کند. در شکل‌های (2) و (3) تصاويری با ميکروسکوپ الکترونی مربوط به برخی نمونه‌ها ارائه شده است که نمايش‌دهنده اثر شرايط رشد برروی کيفيت نانوساختارها می‌باشد.

شکل (2) نمايشی از رشد بدون حضور پلاسمای سرد (شکل راست) و رشد متراکم نانولوله‌های کربنی در حضور پلاسمای سرد (سمت چپ). بدون پلاسما يک رشد کاملاً نامنظم حاصل می‌شود.

شکل (2) نشان‌دهنده رشد بدون نظم مشخص می‌باشد که بدون حضور پلاسما و صرفاً در شرايط گرمايشی حاصل شده است. لازم به ذکر است که دمای رشد نانوساختارهای کربنی با استفاده از پلاسمای سرد بين 550 و 650 درجه سانتيگراد می‌باشد که معمولا بدون حضور پلاسما منجر به رشد کاملاً نامنظم می‌گردد.

شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی از هسته‌های نيکلی به صورت عمودی. در شکل سمت راست رشد متراکمی از نانوساختارهای کربنی به صورت عمودی مشاهده می‌گردد. دانه‌بندی اوليه عنصر کاتاليزور (نيکل) اهميت بالايی در اين رشد همگون دارد.

در شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی به صورت تقريباً عمودی و حجيم ديده می‌شود که در حضور پلاسما و با چگال توانی در حدود mW/cm2 10 حاصل شده است. در بسياری از موارد نياز به چنين رشد متراکمی داريم که از موارد مهم آن نمايشگرهای گسيل الکترونی از نوک‌های تيز نانولوله‌های کربنی می‌باشد. اين‌گونه ساختارها با توجه به شکل بسيار تيز خود امکان خروج الکترون با اعمال ولتاژهای پايين را مهيا می‌سازند. گسيل الکترونی از نوک لوله‌ها در اثر اعمال ولتاژ به آنها کاربردهای متعدد ديگری از جمله در ساخت اشعه‌های الکترونی متمرکز[ 1و2 ]و فرآيند ليتوگرافي دارد.

نانوساختارهای گسيل الکترون پس از رشددادن نانولوله‌ها، با استفاده از روش انباشت بخار شيميايي (CVD)، اکسيد تيتانيوم را به صورت بخار شيميايی و در فشار اتمسفری بر روي آنها لايه‌نشاني مي‌کنيم. اين مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهميت بالايی برخوردار می‌باشد. اين مرحله در همپوشاني نانوساختارها از اهميت بالايي برخوردار مي‌باشد. چرا كه به نانوساختارهاي نيمه‌توخالی و به صورت لوله‌ای امكان تحقق مي‌دهد. سپس با استفاده از روش لايه‌نشاني با تبخير به کمک باريکة الکتروني، لايه‌اي به ضخامت 1 ميکرومتر از فلز کروم روي آن مي‌نشانيم. اين لايه نشانی برای ايجاد گيت‌های کنترل‌کننده برای ترانزيستورها و نيز بعنوان لنزهای الکتروستاتيکی در حالت ليتوگرافی مورد استفاده قرار می‌گيرد. براي آشکار شدن نوک نانولوله‌ها، از روش زدايش مکانيکي_شيميايی استفاده مي‌کنيم. در مرحلة بعدي با استفاده از تکنيک plasma-ashing نوک نانولوله‌ها را باز مي‌کنيم. استفاده از گاز حاوی اکسيژن در اين مرحله نقش اساسی دارد، چرا که بدون صدمه‌زدن به ساختارهای محافظت‌کننده، فقط نانوساختارهای کربنی را بسوزاند تا به‌تدريج از ارتفاع نانولوله‌ها کاسته شده، به شکل مناسب دست يابيم. شکل 4 نحوة عملکرد و شمای اين ساختار را نشان مي‌دهد. بدين ترتيب نانولوله‌ها براي گسيل الکتروني آماده مي‌شوند. با اعمال ولتاژ مناسب بين نانوساختارهای کربنی از يک طرف و صفحه مقابل که نقش‌ آند را بازی می‌کند از طرف ديگر، جريان الکترون‌ها آشکار شده و ميزان اين جريان به وسيله ولتاژ بر روی گيت کاهش می‌يابد. قسمت ديگر شکل 4، تصوير ميکروسکوپ الکتروني از ساختار کامل شده نانولوله‌ها را نشان مي‌دهد. با توجه به انجام مرحله پوليش مکانيکی – پلاسمايی، برخی از نانولوله‌ها که از شرايط مناسبی از نظر ارتفاع و قطر برخوردار نيستند عملا در ارسال جريان الکتريکی نقشی ندارند.

شکل (4) نماي شماتيک يک نانوساختار کربنی و استفاده آن در ساخت ساتع کننده الکترونی. توضيح بيشتر در متن آورده شده است. در تصوير مقابل نمايشی از تصوير ميکروسکوپ الکترونی مربوط به مجموعه‌ای از اين ساتع کننده‌های الکترونی مشاهده می گردد.

صفحه آند که معمولاً از جنس ويفر سيليکوني می‌باشد در فاصله مناسب از بستر توليدکننده الکترون قرار می‌گيرد. در شکل‌های زير رفتار الکتريکی مجموعه‌ای از نانوساختارهای کربنی به نمايش گذارده شده است که حاکی از عملکرد مناسب اين مجموعه می‌باشد. ساختارهای نانومتری که در اين مقطع محقق شده‌اند قابليت انجام ليتوگرافی در ابعاد نانومتری را نيز دارند. در شکل‌های زير برخی از نتايج اين تحقيق آورده شده است که حاکی از موفقيت اين تکنيک در شکل‌دهی با ابعاد بسيار کوچک می‌باشد. برای اين منظور بستر حاوی نانولوله‌ها را در فاصله‌ 100 ميکرومتري از لايه حساسي که روي بستر سيليکون نشانده شده است، قرار مي‌دهيم. سپس بعد از اعمال ولتاژي حدود 100-80 ولت بين صفحه بالايي و پشت بستر نانولوله‌ها، آنها را نسبت به هم به حرکت در مي‌آوريم. اتصال ديگري بر روي فلز

شکل (5) نمايش رفتار الکترونيکی نانوساختارهای کربنی با پوشش دولايه از جنس اکسيد تيتانيوم و فلز. شکل چپ نشان‌دهنده جريان آشکار شده در طرف آند با توجه به ولتاژهای آند-کاتد. شکل راست نشان‌دهنده جريان آشکار شده در آند و کنترل آن توسط گيت ترانزيستور می‌باشد.

شکل (6) :تاثير پرتو الکتروني گسيل شده روي ماده‌ي حساس پليمري به همراه حرکت خطي که توسط سيستم مکانيکي ايجاد شده است.

نانولوله‌ها برقرار مي‌کنيم و با اعمال ولتاژ منفي بر آن(نسبت به بستر نانولوله‌ها) پرتوي الکتروني را باريک‌تر مي‌کنيم. الکترونها در اثر انرژی‌اي که پيدا می‌کنند به سمت صفحه آغشته شده به لايه‌ حساس شتاب مي‌گيرند و روی اين ماده تاثيرات شيميايی از خود به جا مي‌گذارند تا در مرحلة حکاکی طرح، الگو روی نمونه حکاکی شود. بعد از اينکه اشعه الکترونی متمرکزي به قطر 100 نانومتر ساختيم، نمونه را در زمان‌های مناسبی در معرض برخورد اشعه الکترونی قرار داديم. بعد از اين مرحله لايه نازکی از طلا را جهت ظاهرشدن الگو توسط دستگاه تبخير خلا، لايه‌نشانی کرديم. اثر گسيل الکتروني بر روي ماده حساس پليمري را توسط ميکروسکوپ الکتروني آناليز کرديم. شکل6، تصاوير SEM حاصل از گسيل الکترون از نوک نانولوله‌ها را نشان مي‌دهد. قسمت الف اين شکل، اثر گسيل الکتروني يک نانولوله را در مدت 1 دقيقه نشان مي‌دهد. همچنين در قسمت ديگر، اثر گسيل خوشة (cluster) متشکل از چند نانولوله در همان مدت زمان ديده مي‌شود. نتيجه گيری در اين مقاله گذری به پيشرفت‌های حاصل‌شده در آزمايشگاه لايه نازک دانشگاه تهران، که منجر به توليد نانولوله‌های کربنی و نانوساختارهای کربنی گرديده است شده است. با استفاده از قابليت‌های زيادی که در اين نانوساختارها موجود می‌باشد، امکان استفاده از آنها در ليتوگرافی در مقياس نانومتری و در جهت ساخت ترانزيستورهای MOSFET زير 100 نانومتر مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه اين روند تحقيقاتی امکان بهبود اين نانوساختارها در تحقق کريستال‌های فوتونی و نمايشگرهای با دقت بالا بررسی خواهند شد.

مراجع

[1] Guillorn, M. A., M. D. Hale, V. I. Merkulov, M. L. Simpson, G. Y. Eres, H. Cui, A. A. Puretzky, and D. B. Geohagen "Integrally gated carbon nanotube field emission cathodes produced by standard micro-fabrication techniques," J. Vac. Sci. Tech. B. Vol. 21, May 2003, 957-959. [2] Wang, Q.H., Yan, M, and Chang, R P H, Flat panel display prototype using gated carbon field emitters. Applied-Physics-Letters (USA), 78, 1294, 2001. [3] J. Koohsorkhi ; H. Hosseinzadegan ; S. Mohajerzadeh; M. D. Robertson; “Novel self-defined field emission transistors with PECVD-grown Carbon Nano-tube on silicon substrates” presented at Device Research Conference 2004. [4] J. Koohsorkhi ; H. Hosseinzadegan ; S. Mohajerzadeh; E. Asl Soleimani and E. Arzi; “PECVD-grown carbon nano-tube on silicon substrate suitable for realization of field emission devices” Journal of Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, accepted for published, 2004. منبع :سايت نانو

خلاصه :
پيشگيري و درمان بيماريها از قابليتهاي اصلي نانوتكنولوژي به شمار مي رود كه اين هدف توسط به كار گيري ابزارها و نانوساختارهاي مهندسي شده براي ساخت ، كنترل و ترميم سيستم زيستي بدن انسان در مقياس مولكولي انجام مي گيرد .هدف فعلي نانوپزشكي بر تشخيص بيماري و تهيه دارو در خارج از بدن انسان متمركز مي شود اما استفاده هاي پيشرفته تر آن در داخل بدن انسان به صورت مجموعه اي از ماشينهاي جراح و ترميم كننده سلول است . در اين مقاله چالشهاي مختلف مطرح شده در برابر توليد و عرضه تجاري محصولات نانوپزشكي از قبيل : چالشهاي تكنيكي ، مالي و رقابتي ، چرخه توليد محصول ، مالكيت تجاري ، منطقي و اجتماعي بررسي مي شود. سپس با انجام دو تحليل موردي بر روي گلوبولهاي مصنوعي خون و استفاده از DNA به عنوان ابزار ساخت در نانوپزشكي ، زمينه هاي توسعه آنها را به عنوان محصولات قابل عرضه در بازار جهاني پزشكي بررسي مي كنيم .

به دليل حجم بالاي نوشته مي توانيد ان را در ادرس زير مشاهده فرماييد:

http://nano.ir/papers/attach/Article_Nanomedicine831013.pdf

منبع: سايت نانو

تشخيص  مولكولـهاي زيسـتي بـا ميكـرومكانيك كارشناسان سيستمهاي ميكروالكترومكانيكي (MEMS) چگونه زيست‌شناسان مولكولي را در مطالعه هيبريديزاسيون DNA پشتيباني مي‌كنند؟ ابزارهاي مبتني بر حامل[1] مثالي هستند از اين‌ كه چگونه يك حسگر ساده را مي‌توان با تكنيك ساخت ميكرومتري[2] ايجاد كرد، تا كارايي حير‌ت‌آوري را بدست دهد. آزمايشهاي جالبي را بررسي مي‌كنيم كه از اصول انتقال[3] مكانيكي متفاوتي براي كشف و آناليز كميتهاي كوچك مواد استفاده مي‌كنند. اصول اين آزمايشها به زيست شناسان اجازه مطالعه و بررسي بيوشيمي سطحي را در مقياس نانومتري مي‌دهد و فرصت‌هاي جالب و منحصر به‌فردي را براي پيشرفت در سيستمهاي آناليز مهندسي پزشكي و ميكروسكوپي به‌وجود مي‌آورد. حسگرهاي حامل[4] بر اصول ساده و مشهور انتقال استوار است و مورد علاقه بسياري از محققان مي‌باشد و به دليل تركيب تكنيكهاي "ساخت ميكرومتري سيليكوني" و بيوشيمي، ايجاد گروههاي عامل روي سطح به همراه پيشرفت روش‌هاي حسگري چندحاملي، فرصت‌هاي جديدي را براي حسگرهاي فيزيكي و بيوشيمي ايجاد مي‌كند. حامل‌هاي ايجاد شده به روشهاي توليد ميكرومتري از زمان پيشرفت  ميكروسكوپي نيروي اتمي (AFM) در سال 1986[1] بيشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند.AFM  و تكنيك‌هاي ميكروسكوپي پروب پيمايشگر (SPM) باعث اندازه‌گيري مستقيم عكس‌العمل‌هاي ويژه بين سطوح در مقياس مولكولي مي‌شوند. AFM نيروهاي بسيار كوچك در نوك يك تيرك ميكروسكوپي كه در انتهاي ديگر روي يك پايه (حامل) ثابت شده است را اندازه‌گيري مي‌كند. حامل مانند يك مبدل نيرو بر اثر نيروي واقع در نوك ميله خم مي‌شود(شكل2- الف). شكل 1) حامل‌هاي سيليكون، اكسيد سيليكون يا نيتريد سيليكون به صورت تجاري در اشكال، ابعاد و حساسيت‌ به نيروي متفاوت وجود دارند. تصاويـر ميكروسكوپ الكتروني پيمايشگر (SEM) از ميكروحامل‌هاي سيليكوني به كار رفته به عنوان پروبهاي AFM با هندسه‌ و اندازه‌هاي متفاوت:  الف) حامل مستطيلي تجاري به همراه تيرك (Nanosensors GmbH & Co) ب ) حامل مثلثي تجاري (به منظور به حداقل رساندن خمش‌هاي پيچشي) به همراه تيرك ارائه شده توسط ماناليس گسترش كاربرد SPM هم در آزمايشگاههاي تحقيقاتي و هم در صنعت، به سهولت كار، هزينه‌كم [5] و تكرارپذيري اين پروبها مربوط مي‌شود. با كوچك سازي ساختار حاملها تا اندازة ميكروسكوپي مي‌توان هم به ثابت فنر كوچك (يعني حساسيت بالا براي نيروها يا تنش‌هاي بكار رفته) و هم فركانس تشديد[6] بالا براي زمان‌هاي پاسخ سريع و مصونيت بالا در برابر نويزهاي مكانيكي بيروني دست يافت. كوچك سازي و توليد انبوه، با بهره‌گيري از مزاياي تكنيكهاي ميكرو ماشين‌كاري سيليكوني غيرپيوسته كه براي  فرآيند مدارهاي يكپارچه (IC ) توسعه يافته است حاصل مي‌شود[2,3]. حاملهاي سيليكون، اكسيد سيليكون يا نيتريد سيليكون از لحاظ تجاري با اشكال، ابعاد و حساسيتهاي نيرويي مختلف در دسترس مي‌باشند (شكل1). اندازه‌گيري نيز در مبناي  (در سطح جفتهاي بيومولكولي منفرد) امكان‌پذير است[4-10]. در طول دهة اخير SPM و خصوصيات ميكروحاملها در موارد ديگري همچون آشكارسازي تغييرات درجه حرارت، تنش‌سطحي، جرم و خاصيت‌مغناطيسي مواد در اندازة نانوگرم استفاده شده است. سيگنالهاي چنين كميت‌هاي كوچكي، اغلب به كمك تكنيك‌هاي ماكروسكوپي قابل دسترسي نيست و به ابزارهاي تحليلي پيچيده‌اي نيازمند است. استفاده از تكنيك‌هاي حسگري ميكروحامل در مقايسه با ساير ابزارهاي تحليلي ماكروسكوپي در بسياري از آزمايشگاهها با صرفه و قابل ساخت است. اصول "انتقال" يك حامل تشكيل شده از ساندويچي از مواد با ضريب انبساط حرارتي متفاوت به صورت تابعي از درجة حرارت محيط خم مي‌شود (شكل 2- ب). اين اصل انتقال "دو فلزي"، تغييرات دما را تا 10-5K اندازه‌گيري مي‌كند [11]. چنين حسگر‌هايي براي اندازه‌گيري‌هاي فتوحرارتي با استفاده از نوعي جاذب نوري خاص[12-15] يا به ‌عنوان يك ميكروكالريمتر براي بررسي تحول گرمايي در واكنشهاي شيميايي در لايه‌ واكنشي كه در رأس حسگر جاي داده شده است، به كار گرفته مي‌شوند[11]. تغييرات انتالپي در حد 500 پيكوژول در سطوح بين فازي با فقط چند پيكوگرم ماده متصل به نوك حسگر به‌طور مطمئن قابل  تجزيه و تحليل‌ است[16,17]. ميكروحاملهاي دو فلزي مي‌توانند طيف فتوحرارتي فيلمهاي نازك[18] را با حساسيت 150 فمتوژول و تحليل زماني كمتر از ميلي ثانيه نشان دهند[17]. تخمين‌هاي تئوري نشان مي‌دهد كه اين حسگر‌ها قادرند تغييرات گرمايي را با حساسيت آتوژول مشخص نمايند[11,19]. همچنين حاملها مي‌توانند با اندازه‌گيري خصوصيات ارتعاشي در مد نوساني به عنوان ترازوهاي دقيق (شكل2- ج) بكار روند. جرم‌ اضافي كه به رأس يك حسگر حامل افزوده  مي‌شود، ميزان فركانس تشديد آن را كاهش مي‌دهد(معادله 1). همچنين تغييرات ويسكوزيته يا چگالي محيط بر خصوصيات ارتعاشي حسگرها مؤثر است. در شكل (2-د) مبناي عمل ويسكومتر نشان داده شده كه توسط محققين زيادي[20-22] پيشنهاد شده است. هنگام عمل در مد نوساني نياز است بدانيم كه آيا در طول فرآيندهاي دفع و جذب سطحي، مواد جذب شده مي‌توانند خواص مكانيكي حامل را (به‌عنوان مثال سختي آن را) تغيير دهند يا نه. شكل 2 ـ نماي شماتيك انواع مبدلهاي ممكن:  الف) حسگر نيرو به همراه تيرك براي AFM   ب) حسگر "دو فلزي" دما و حرارت    ج) حسگر بار جرمي    د) حسگر ويسكوالاستيسيته محيط      هـ) حسگر ترموگراويمتريك    و) حسگر تنش جذب سطحي آب روي يك حامل با پوشش ژلاتين -برخلاف اثر افزايش  جرم (معادله 1)- باعث افزايش فركانس تشديد مي‌گردد[23-25]. در صورتي كه لاية حسگر در انتهاي آزاد حامل متمركز ‌شود، مي‌توان اين رابطه معكوس[7] بين تغييرات جرم  و سختي را از رابطة اصلي تفكيك كرد (شكل 2- ج). در اين حالت تغيير در فركانس طنين دار مي‌تواند مستقيماً طبق فرمول زير به تغييرات در جرم مربوط ‌شود: ? (معادله 1) كه K ثابت فنري حامل و f0 وf1 فركانس‌هاي تشديد قبل و بعد از جذب سطحي مي‌باشند.  با اين حال تنها با جذب سطحي در رأس تيرك، از جذب سطحي و به تبع آن حساسيت كاسته مي‌شود. با استفاده از ماده متخلخلي مثل زئوليت به ‌عنوان يك "اسفنج حسگر" مي‌توان حساسيت را بالا برد[26]. برگر و همكارانش[27] ‌با استفاده از حامل پيزورزيستيو[8]  نوسانگر گرم شده در گاز هليم، آناليز ترموگراويمتريك را بررسي كردند (شكل 2- هـ) [28]. تخمينهاي تئوري مبتني بر حاملهايي كه از لحاظ اقتصادي در دسترس هستند، حداقل چگالي جرمي آشكارپذير   ng/cm-2 67/0 را نشان مي‌دهد كه با  حسگرهاي صوتي نظير نوسانگرهاي موج صوتي سطحي (SAW) و ميكروبالانس‌هاي كريستال كوارتز (QCM) قابل مقايسه مي‌باشد. با محاسبه مساحت فعال ساختار، حداقل جرم آشكار پذير مقدار  10-15g بدست مي‌آيد[29]. بيوحسگر چيست ؟ يك بيوحسگر را ـ مثل هر وسيله حسگري ديگر ـ مي‌توان به سه جزء اصلي تقسيم كرد : آشكارسازي كه سيگنال مورد نظر را شناسايي مي‌كند، يك مبدل كه سيگنال را به يك خروجي مفيد (معمولاً يك سيگنال الكترونيكي) تبديل مي‌كند و يك سيستم خواندن [1] كه سيگنال‌هاي منتقل شده را فيلتر، تقويت، نمايش، ثبت يا انتقال مي‌دهد. يك بيوحسگر يك آشكارساز زيستي يا بيوشيميايي را به كار مي‌گيرد، كه مي‌تواند دامنه‌اي از پروتئين‌ها و آنزيم‌هاي منفرد تا ميكروارگانيسم‌ها و سلولهاي كامل داشته باشد. بيوحسگرها را مي‌توان براساس نوع آشكارساز (مثلاً ايمونوحسگرها يا حسگرهاي آنزيمي)، مبناي مبدل (مثلاً آمپرومتريك، پيزوالكتريك يا ميكرومكانيكي) و كاربرد (مثلاً حسگرهاي كلينيكي يا زيست محيطي) تقسيم‌بندي كرد. در مورد بيوحسگرهاي حاملي، پديده مورد شناسايي از سطحي که با گيرنده پوشيده شده است، توسط حامل به يك پاسخ مكانيكي تبديل مي‌شود كه قابل آشكارسازي با روشهاي گوناگون است.   بيوحسگر چيست ؟ يك بيوحسگر را ـ مثل هر وسيله حسگري ديگر ـ ميتوان به سه جزء اصلي تقسيم كرد : آشكارسازي كه سيگنال مورد نظر را شناسايي ميكند، يك مبدل كه سيگنال را به يك خروجي مفيد (معمولاً يك سيگنال الكترونيكي) تبديل ميكند و يك سيستم خواندن كه سيگنالهاي منتقل شده را فيلتر، تقويت، نمايش، ثبت يا انتقال ميدهد. يك بيوحسگر يك آشكارساز زيستي يا بيوشيميايي را به كار ميگيرد، كه ميتواند دامنهاي از پروتئينها و آنزيمهاي منفرد تا ميكروارگانيسمها و سلولهاي كامل داشته باشد. بيوحسگرها را ميتوان براساس نوع آشكارساز (مثلاً ايمونوحسگرها يا حسگرهاي آنزيمي)، مبناي مبدل (مثلاً آمپرومتريك، پيزوالكتريك يا ميكرومكانيكي) و كاربرد (مثلاً حسگرهاي كلينيكي يا زيست محيطي) تقسيمبندي كرد. در مورد بيوحسگرهاي حاملي، پديده مورد شناسايي از سطحي که با گيرنده پوشيده شده است، توسط حامل به يك پاسخ مكانيكي تبديل ميشود كه قابل آشكارسازي با روشهاي گوناگون است. متأسفانه وقتي حسگري در حال نوسان در مايعي كار مي‌كند، هم پيك تشديد و هم فاكتور كيفي آن (Q)، در اثر رطوبت کاهش مي‌يابد[30]. اين امر بر حسب ميزان تغييرحداقل جرم آشكار پذير، دقت حاصله را به‌طور قابل ملاحظه‌اي كاهش مي‌دهد. مهتا[31] و تامايو[32] روش‌هايي را براي بالا بردن فاكتور Q حاملها و به تبع آن قدرت تفكيك آنها در مايعات پيشنهاد كرده‌اند.  در مايعات (محيط طبيعي واكنش‌هاي بيوشيميايي) خمشي كه باعث فقط چند نانومتر "خم[9] استاتيكي " شود، به سادگي قابل تشخيص است. بنابراين حاملها در اين وضعيت اغلب به عنوان حسگرهاي تنش سطحي عمل مي‌كنند (شكل 2- و). تنش سطحي يكنواخت روي مواد ايزوتروپ باعث افزايش (تنش فشاري) يا كاهش (تنش كششي) مساحت سطحي مي‌شود. در صورتي كه اين اثر با يك تنش‌ معادل در وجه مخالف ميله يا ورق نازك جبران نشود، خمش دائمي در كل سازه ايجاد مي‌شود (شكل 3). چندين سال قبل، استوني[33] خمش متاثر از رسوب‌گذاري روي ميله‌ها را در محيط الكتروشيميايي اندازه گرفت و  تغيير تنش سطحي ديفرانسيلي بين وجوه مخالف يك ميله نازك را به شعاع انحنا مربوط كرد. با اندازه‌گيري ميزان خم، اختلاف بين تنش‌هاي سطحي دو وجه، قابل محاسبه است. مي‌دانيم که جذب مولكولها به روي سطح منجر به تغيير تنش سطحي مي‌شود.[10] ايباخ تغيير تنش سطحي روي حاملهاي بلورين به واسطه جذب يك اتم منفرد را به طريق تجربي[37,38] و آناليز اجزاي ‌محدود[11] [39] مطالعه كرد. هنگام مواجهه با مولكولهاي پيچيده مثل پروتئين‌ها، ممكن است چند منبع تنش ديگر نيز وجود داشته باشد. تعامل الكترواستاتيك بين مواد جذب سطحي شده مجاور، تغييرات در آب‌گريزي سطح و "چرخشهاي‌ پياپي"[12] مولكولهاي جذب شده، همگي مي‌توانند تنش‌هايي را القا كنند كه با هم جمع شده و منجر به تغييراتي شوند كه مستقيماً به انرژي پيوندي گيرنده-ليگاند[13] يا نيروي گسيختگي آنها مربوط نيست. به عنوان مثال، وو [40] اخيراً مشاهده كرده است كه چگونه جذب سطحي تك رشتة  مكمل[14] DNA  بر سطح حامل مي‌تواند بسته به قدرت يوني محلولي و بافري كه هيبريديزاسيون در آن رخ مي‌دهد، تنش كششي يا فشاري ايجاد كند. آنها اين رفتار را به تعامل بين دو نيرو محركه مخالف، مرتبط مي‌دانند: كاهش در آنتروپي چرخش پياپيDNA جذب سطحي شده، تنش‌ فشاري را پس از هيبريديزاسيون كم مي‌كند، در حالي كه دافعه الكترواستاتيك بين‌مولكولي در DNA جذب شده، تنش را افزايش مي‌دهد. تشخيص خمش حامل چند روش تشخيص خم براي استفاده در AFM وجود دارند كه خمش ميكروحاملها را با دقت كمتر از آنگستروم اندازه‌گيري مي‌كنند. روش‌هاي نوري و الكتريكي كه در روش‌هاي مبتني بر بيوحسگر به كار مي‌روند نيز كاربرد دارند. متداول‌ترين روش AFM تكنيك «بازتاب پرتو[15]» يا «اهرم نوري» است: نور مرئي از يك ديود ليزري با قدرت كم بر نوك آويزان حامل، كه به عنوان آينه عمل مي‌كند متمركز مي‌شود. حاملهاي AFM تجاري ممكن است براي افزايش قابليت انعكاس با لايه نازكي از طلا پوشش داده شوند. پرتو منعكس شده به يك موقعيت سنج يا به يك آشكار ساز نوري شكل 3 ـ نماي جانبي از يك بازوي نازك با ضخامت t كه در معرض تغييرات تنش سطحي فشاري 1?? و2??  قرار مي‌گيرد. بازو حول يك صفحه خنثي با شعاع انحناي ثابت R خم مي‌شود. چندتكه[16] برخورد مي‌كند (شكل4). هنگامي كه حامل خم مي‌شود نور ليزر منعكس شده، روي صفحه آشكارساز حركت مي‌كند، كه اين  فاصله طي شده متناسب با ميزان خم شدن ميله است. روش آشكارسازي ديگر براساس تداخل بين پرتو ليزر مبنا و پرتو انعكاس‌ يافته از حامل است. روش تداخل سنجي به شدت حساس است و موجب اندازه‌گيري مستقيم و مطلق جابجايي مي‌شود، اما  فقط براي خمهاي كوچك خوب عمل مي‌كند (خم تنها در يك طول موج تعريف مي‌شود) و نيازمندي فني خاصي دارد (نور بايد به نزديكي حامل آورده شود تا انعكاس حاصل شود). روگار [41]براي اين منظور، انتهاي شكاف‌دار يك فيبر نوري را در چند ميكروني انتهاي آزاد حامل قرار داده‌است. شكل 5 ـ الف) تصوير SEM يك آرايه شامل هشت ميكروحامل سيليكوني ساخته شده در گروه ميكرو و نانو مكانيك آزمايشگاههاي تحقيقاتي IBM در زوريخ. حامل‌ها ?m1 ضخامت،  ?m500 درازا، ?m100 پهنا، ?m250  فاصله با هم و N/M 02/0 ثابت فنري دارند. ب) ميكروگراف نوري آرايه IBM از يك شبكه از مجراهاي ميكروسيالاتي با فاصله برابر?m250 در روش ديگر، از حاملهاي ميان رقومي[17]به عنوان يك توري پراش نوري استفاده مي‌شود. نور ليزر منعكس شده يك الگوي پراش را تشكيل مي‌دهد كه شدت آن متناسب با خم حامل است. اين روش در [42,43]AFM، به عنوان حسگر فيزيكي در شتاب‌سنج‌ها[44] و براي تصوير برداري مادون قرمز[45] كاربرد داشته، به عنوان حسگر شيميايي[46] نيز پيشنهاد شده است. حسگرهاي خازني، جابجايي را با تغيير ظرفيت صفحات خازن اندازه‌ مي‌گيرند. بلانك[47] حسگرهاي خازني بسيار كوچكي را براي AFM گزارش كرده است كه حامل آن، يكي از صفحات خازن است. اين روش بسيار حساس است و مي‌تواند جابجايي دقيق را اندازه‌گيري كند اما براي اندازه‌گيريهاي بزرگ مناسب نيست و در محلولهاي الكتروليت به واسطه جريانهاي فارادي بين صفحات خازن، درست كار نمي‌كند؛ بنابراين كاربرد آن در بيوحسگرها محدود است. در يك روش جالب‌تر، از حاملهاي پيزورزيستيو استفاده مي‌شود. هنگامي كه يك ماده پيزورزيستيو مثل سيليكون آلاييده[18] تحت كرنش قرار مي‌گيرد، (ضريب) هدايت الكتريكي آن تغيير مي‌كند. بنابراين حسگرهاي پيزورزيستيو براي اندازه‌گيري تنش بسيار مناسب هستند. چنين حسگرهاي تنشي مي‌توانند با اندازه‌گيري مقاومت (توسط يك پل وتستون ساده) روي ساختمان حامل اضافه گردند[48,49]. پيشرفت‌هاي اخير امكان ساخت مقاومت‌هاي نازك و غيرفعال‌شده[50,51] را برروي حامل مي‌دهد،كه مي‌توانند با پرهيز از جريان‌هاي فارادي در محلولهاي الكتروليت به كار روند. براي جبران انباشتگي دمايي، يك آرايش متقارن در نظر گرفته مي‌شود تا سيگنال خروجي بيانگر اختلاف خم بين حاملهاي مبنا و حسگر باشد[50,51].  حاملهاي پيزورزيستيو در مقايسه  با روش‌هاي استاندارد نوري، چند امتياز دارند: به هيچ نوع قطعه اپتيكي يا دستگاه ليزري نيازي ندارند؛ اجزاي الكترونيكي مخصوص "خواندن" اطلاعات[19] مي‌توانند با فناوري CMOS روي تراشه واحدي جمع شوند؛ تغييرات خواص نوري محيط اطراف حامل (مثلاً تغيير در ضريب شكست هنگام تغيير دو محلول مختلف) تأثيري روي آنها  ندارد؛ و در محلولهاي غيرشفاف نيز كار مي‌كنند. حاملهاي پيزورزيستيو، همچنين مي‌توانند با افزايش شار جريان الكتريكي در لايه مقاومت، دماي سطح را نيز تغيير دهند. اين مسأله مي‌تواند ابزاري براي شكست پيوند حسگر_ليگاند و در نتيجه  فعالسازي مجدد لايه حسگر در كاربردهاي بيوحسگري باشد. ايجاد گروههاي عاملي[20] روي سطح حامل لايه حسگر رسوب‌دهي شده روي سطح حامل، بر انتخاب‌پذيري، تكرارپذيري و دقت حسگر، تأثيرمي‌گذارد. ممكن است لازم باشد يك لاية نازك (براي جلوگيري از تغيير خواص مكانيكي حامل)، يكنواخت (براي ايجاد تنش يكنواخت) و فشرده (براي جلوگيري از تعامل با سطح زيرين) از مولكولهاي گيرنده روي حامل كار گذاشته شود- كه بايد با لنگر شدن گيرنده‌ها به سطح با پيوندهاي كووالانسي‌، پايدار و قوي بوده و در عين حال آزادي كافي براي تعامل با ليگاند خود را داشته باشند. اگر لازم باشد که چندين بار از حسگر استفاده شود، فعاليت آن بايد در طول زمان پايستار باشد و در برابر فعالسازي مجدد،  لايه حسگر خود را حفظ كند. اكثر اين موارد براي ساير بيوحسگرها نيز لازم است. در واقع تكنيك‌هاي پوشش‌دهي پيشنهاد شده با اصول ساير مبدلها مشترك است. فلزات جديد اغلب يا به صورت زير لايه رسوب داده مي‌شوند تا لايه‌‌هاي بعدي را بر روي خود نگاه‌ دارند، و يا به صورت كاتاليست براي جذب گاز سطحي بكار مي‌روند. تبخير و پاشش[21]  اجازه كنترل دقيق ضخامت و توزيع لايه را مي‌دهد.  يك روش ساده متداول براي ايجاد تك لايه‌هاي مرتب، استفاده از تك لايه‌هاي خودآرا[22]  است؛ مانند مولكولهاي زنجيره‌آلكاني با گروههاي تيول بر روي طلا [53,54] يا سيلان‌ها روي زيرلايه سيليكون.[55,56] SAMs بطور آني تك لايه‌هايي يكنواخت، بشدت فشرده و محكم (با پيوند كووالانسي) شكل مي‌دهد، كه مي‌تواند از زنجيره‌هايي با طولهاي مختلف زنجيره‌اي و گروههاي انتهايي با خواص شيميايي ويژه سنتز شوند. بنابراين به عنوان اتصال دهنده‌هاي عرضي[23] براي محكم كردن مولكولهاي چسبنده به زيرلايه، بسيار مناسبند. براي تشكيل يك تك‌لايه تيول روي يك وجه حامل، بايد طلا به صورت بخار روي سطح نشانده‌ شود و تمام حامل در محلول تيول يا در معرض بخار آن قرار گيرد. برگر[57] آشكارسازي تغييرات تنش سطحي را در طي تشكيل تك لايه‌هاي "آلكان‌تيول" بر حاملهاي پوشش داده شده با طلا گزارش كرده است. شستشوي حامل، تيول‌هايي را كه بطور ناخواسته روي وجه مخالف حامل جذب شده‌اند، از بين مي‌برد. رايتري[58] روندي چند مرحله‌اي را ارائه داده است كه امكان مي‌دهد هر وجه با تك لايه‌هاي تيول مختلف، پوشش داده شود.  روش ديگر براي اضافه كردن گروههاي عاملي خاص به يك سطح، اتصال (پيوندزني) پليمرهاي داراي يك ساختار مناسب است. براي بهبود رسوب‌گذاري پليمر روي سطح با تعداد مكانهاي فعال سطحي اندك، مي‌توان از فرآورش پلاسما  استفاده كرد[59]. بتس[60] لايه‌هاي نازك (nm 150) از پليمرهاي مختلف را با پوشش‌دهي اسپيني رسوب داد. وي از آسياب پرتو يوني متمركز براي حذف پوشش‌هاي پليمري ناخواسته از وجه مخالف استفاده كرد.   [1] - Cantilever-Based Device [2]- Microfabrication [3] - Transduction [4] - Cantilever Sensor [5] - قيمت پروبهاي  AFM  بين 2 تا 20 ذلار است. [6] - Resonant Frequency [7] - Crosstalk [8] - Piezoresistive [9]  - Deflection [10]  - تنش و كشش سطحي با سطوح جامد متناسب هستند ولي كميت‌هايي متمايــز دارند. براي بحث مفصل در مورد نحوه وابستگي تنش‌هاي سطحي با انرژي آزاد به مراجع36-34  مراجعه كنيد. [11] - Finite Elements [12] - Conformation [13] - Receptor-Ligand [14] - Complementary Single-Stranded (CSS) [15]  - Beam Bounce [16]  - Split Photodetector [17]  - Interdigitated [18]  - Doped Silicon [19] - Read-Out Electronics [20] - Functionalization [21] - Evaporation And Sputtering [22]  - Self–Assembling Monolayers (SAMs) [23] - Cross-Linker    منبع : سايت نانو

ساختن از پايين به بالا

 جيمز هيث در سرمقاله مهمان چاپ‌شده در سال 1999 در شماره ويژه گزارش تحقيقات شيمي كه به علوم نانو اختصاص داشت مي‌گويد : "در سالهاي اخير كمتر لغتي در علوم فيزيك و شيمي به اندازه " علوم نانو" و " نانوتكنولوژي" استعمال – درست يا نادرست- داشته است."هيث -استاد شيمي دانشگاه كاليفرنيا -مي‌نويسد : " چرا اين همه علاقه‌مندي و اغراق‌گويي؟!" توضيح علاقه‌مندي نسبتا" ساده است: در 15 سال گذشته ما شاهد انفجار ابزارهاي سنجش نسبتا" ارزان قيمت ، مثل ميكروسكوپي پروب‌اسكن‌كننده براي بازبيني و دستكاري مواد در مقياس طولي نانومتر بوده‌ايم. در همين مدت، رشته‌هاي فراواني كه نامربوط به اين رشته بودند (مثل مهندسي برق و زيست‌شناسي) ، نيز متوجه فهم و كنترل پديده‌هاي شيميايي و فيزيكي در اين مقياس طولي و نوعا" 1 تا 100 نانومتر شده بودند. دانشمندان آموخته‌اند كه چگونه اندازه و شكل مواد مختلفي را در سطح اتمي و مولكولي كنترل كنند و در جريان كار آنها خواص جالب توجه و ذاتا" مفيدي را كه بسياري از آنها غيرمنتظره بود، كشف كردند.
چادميركين ، يك استاد شيمي كه بنياد نانوتكنولوژي دانشگاه نورث‌وسترن را اداره مي‌كند، مي‌گويد: " اين رشته در حال شكوفه‌زدن و تبديل شدن به نيرويي برتر در علم در چندسال آينده است . تقريبا" يك قطار سريع‌السير است، كه هيجان زيادي در موردش وجود دارد."
 با اين حال ميركين خاطرنشان مي‌كند : " در اين زمينه اغراق‌گويي‌هاي فراواني وجود دارد." بسياري از گزافه‌گويي‌ها حاصل پيش‌بيني‌هاي خوش‌بينانه نانوتكنولوژيست‌هاي آينده‌نگر از علوم نانوي ابتدايي كنوني است.
 مثلا" نظريه‌پرداز نانوتكنولوژي ، اريك دركسلر، مدير موسسه Foresight - در پالوآلتوي كاليفرنيا- و بعضي از همكارانش طرح ساخت اتم به اتم بازورهاي رباتيك مولكولي را كه قادر به ساخت اشياي متفاوتي ازجمله بازوهاي رباتيك ديگر هستند ارائه داده‌اند. در يك نظريه جسورانه ديگر، ابزارهاي رباتيك برنامه‌ريزي شده كوچكتر از 100  نانومترآزادانه در جريان خون انسان حركت كرده ، سلولهاي سرطاني را شناخته و آنها را پيش از تبديل شدن به تومور به صورت انتخابي نابود مي‌كنند.
بسياري از دانشمندان مشتاق به علوم نانو، اين ايده‌ها را افسانه‌هاي علمي تخيلي مي‌دانند. مثلا" فراسر استودارت استاد شيمي دانشگاه UCLA مي‌گويد :" اين رشته شروع بدي داشته است . چون تصاويري از اين دست در ذهن مردم نقش بسته است؛ مثلا" رباتهاي شناكننده در جريان خون كه اين يا آن موجود پليد را مي‌كشند." 

در نتيجه اين همه علاقه و گزافه‌گويي، تعريف نانوتكنولوژي تا حدّي نامشخّص مي‌باشد- تا مقداري به خاطر اين كه محقّقين زيادي ،حتّي آنها كه روي سيستمهاي ميكرومتري كار مي‌كنند، سعي مي‌كنند خودشان را زير چتر نانوتكنولوژي نگه دارند. بعضي نانوتكنولوژي را با مفهوم دركسلري آن براي ساخت ماشينهاي مولكولي قادر به دست‌كاري ماده با دقّت اتمي بكار مي‌برند. از سويي ديگر گاهي نانوتكنولوژي به صورتي دربرگيرنده همه ، زيست‌شناسي مولكولي و شيمي – تصويري كه ميركين آن را " احمقانه" مي‌نامد- در نظر گرفته مي‌شود.

 براي اينكه مطمئن شويد لازم است بدانيد شيميدانان عادت به كار در مقياس نانو متري داشته‌اند ولي به قول ميركين:" ساخت يك تركيب آن از طريق شيمي سنتري مرسوم، يك نمونه نانوتكنولوژي نيست." ولي به اعتقاد او، استفاده از تكنيكهاي خود چيدماني براي ايجاد اندك اجزاي مولكولي كه به صورت يك مولكول حلقوي بزرگ با ابعاد چندين نانومتري تلفيق شوند مورد برحقي از نانوتكنولوژي است.

 مورد دوم داراي اين تفاوت عمده است كه ساختارها با دستگاههايي كه  از 15 سال گذشته به قبل موجود نبوده‌اند ، توليد، توصيف، دستكاري و حتّي ديده مي‌شوند.ميركين تأكيد مي‌كند : " نانوتكنولوژي يك رشته وابسته به ابزار است و اين ابزارها به مرور در حال بهتر شدن هستند." 

استودارت(چپ) و هيث: زنجيره ها، تسبيح‌ها، و شبه تسبيح‌ها

جنبه كليدي ديگر نانوتكنولوژي اين است كه مواد نانومتري خواص شيميايي و فيزيكي متفاوتي نسبت به مواد انبوه ارائه ميدهند، كه مي‌تواند مبنايي براي فناوريهاي جديد باشد. مثلا" دانشمندان دريافتند كه مي‌توانند خواص الكتروني –و در نتيجه نوري – ذرات نانومتر ي را با تنظيم اندازه ذره تعيين كنند. بنابراين وقتي فلز طلا به صورت ميله‌هاي نانومتري درمي‌آيد، شدت فلوئورسانس آن بيش از 10 ميليون برابر ميشود. اين تحقيق كه اخيرا" توسط گروه مصطفي السّيّد، استاد شيمي بنياد فنّاوري جورجيا صورت گرفته، مشخّص شده است كه طول موج  منتشره به طور خطي با افزايش طول ميله افزايش مي‌يابد، در حالي كه شدّت نور با مجذور طول آن زياد مي‌شود. السّيّد توضيح مي‌دهد :" اين نانوذرات  نوع جديدي از مواد محسوب مي‌شوند، كه خواصشان نه تنها به تركيب شيميايي،كه به اندازه و شكل نيز وابسته است." اين خواص براي كاربردهاي ذخيره نوري اطلاعات، سيستمهاي فوق‌العاده سريع ارتباطات داده‌اي و تبديل انرژي خورشيدي مورد توجه قرار گرفته اند.

نانومواد از قبل نقشي كليدي در برخي فنّاوري هاي تجاري بازي مي‌كرده است. ولي  اين مقاله روي بعضي تحقيقات علوم نانو كه چندسال با ثمردهي تجاري فاصله دارد،تمركز يافته است.  هرچند به دليل نويددهي ايجاد تغييرات شگرف در توليد دستگاهها ، سنسورها، موتورها و بسياري موارد ديگر، بسيار تكان‌دهنده است.

 اين وسايل امروزه با يك مدل " بالا به پايين" ساخته مي‌شوند. مثلا" در صنعت ميكروالكترونيك از تكنيكهاي ليتوگرافيك براي حك كردن بلورسيليكون براي ايجاد مدارات و ابزارهاي ميكرومتري استفاده مي‌شود. اين تكنيك‌ها اخيرا" به نقطه‌اي پيشرفت كرده است،كه اشكالي با ابعاد نانومتري را نيز مي‌توان ساخت. هر 18 تا 24 ماه كه ابزارها ريزتر مي‌شود تعدادي كه از آن ميتوان در يك چيپ جا داد به دو برابر افزايش مي‌يابد.

 ولي چيپ‌سازان براي ادامه روند كوچك‌سازي در دهه آينده به شدت تحت فشار خواهند بود. براي كوچك شدن به حوزه چند نانومتري، چيب‌ها ديگر پاسخگو نخواهند بود . به علاوه هزينه ساخت خطوط توليد جديدي براي هر نسل جديد جيپ‌گران خواهد بود.

 نانوتكنولوژي نويد يك راه‌حل ارزان قيمت " پايين به بالا" را در الكترونيك و ديگر وسايل ساخته‌شده از اجزاي ساده‌تر مثل مولكولها و نانوساختارهاي ديگر را مي‌دهد. اين روش مشابه عمل طبيعت در ايجاد ساختمانهاي زيستي پيچيده است .

سوئيچ كردن با مولكول‌ها :

آزمايشگاه هيث در خط مقدم تلاشهاي انجام‌شده براي ساخت كامپيوتري از پايين به بالا- چيزي كه او آن را " نانوكامپيوتر الكتروني با چيدمان شيميايي" مي‌نامد- است. گروه او با همراهي يك شيميدان به نام استانلي ويليامز و يك معمار كامپيوتر به نام فيليپ كوئك از  آزمايشگاههاي Hewlett-packard  واقع در پالوآلتوي كاليفرينا، سبكهاي معماري بسياري براي چنين ماشيني مطرح كرده‌اند. و چندي بيشتر با همكاري گروه استودارت در UCLA شروع به ساخت آنها نمودند .

 هيث خاطرنشان مي‌كند : " وقتي شما به مردم مي‌گوييد كه مي‌خواهيد كامپيوتري بسازيد، آنها فكر مي‌كنند شما در حال استخدام شدن در Intel هستيد . مقصود ما چنين چيزي نيست." هدف او نشان دادن اين مطلب است كه يك نانوكامپيوتر ساده را واقعا" مي‌توان ساخت. او با ذهني مملو از چالشها مي‌گويد :" ما فكر مي‌كنيم اين تمريني سخت خواهد بود، كه سعي كنيم بفهيم چگونه يك چنين ماشيني را مي‌توان ساخت و سپس آن را عملا" بسازيم."

ابتدا هيث توضيح مي‌دهد كه پروژه شامل به نخ كشيدن دهها سوئيچ مولكولي و نانوسيم به صورت مدارات منطقي و مدارات حافظه و " فراهم‌آوري امكان گفتگوي آنها" است. سوئيچ‌هاي مولكولي‌اي كه محققيني UCLA روي آنها كار مي‌كنند ،" زنجيره"‌ها(Catennan) ، "تسبيح"‌ها (Rotaxane) و "شبه تسبيح‌"هايي است كه در دهه گذشته در آزمايشگاه استودارت ايجاد شده‌اند. ساده‌ترين مثال اين قبيل سوئيچ‌ها ، يك حلقه مولكولي است كه به صورت مكانيكي به يك حلقه متفاوت ديگر زنجير شده ( تا يك زنجيره را تشكيل دهد) يا روي يك مولكولي به بند كشيده شده است. ( تا يك تسبيح‌ يا شبه تسبيح‌ را شكل دهد) . در هركدام از اين ساختارها حلقه مزبور مي‌تواند دو موقعيت متفاوت كه بيانگر " 0" و " 1" ديجيتالي است داشته باشد، و به كمك اعمال ولتاژهاي متفاوت بين اين دو حالت سوئيچ كند.

براي اتّصال دادن سوئيچ‌هاي مولكولي، تيم UCLA در حال كاوش در زمينه استفاده از نانوسيمهاي سيليكوني و نانولوله‌هاي كربني كه در شبكه‌أي- به قول هيث "مثل يك صفحه ساعت"- قرار دارد،مي‌باشد. اين معماري مشتق‌شده از معماري كامپيوتر منحصر به فرد سيليكوني Teramac است كه توسط Hewlett –packard چندسال قبل ساخته شد . در هر بند اين شبكه، نانوسيمها با تك لايه‌اي از سوئيچ‌هاي مولكولي متصل شده‌اند. سال قبل، هيث استودارت و همكارانشان نشان دادند، كه سوئيچ‌هاي مولكولي از نوع تسبيح‌ را مي‌توان به صف كرد تا يك گيت منطقي ايجاد كرد، هرچند وضعيت اين سوئيچ‌ها تنها يكبار قابل تغيير بود.]C&EN,July 19,1999,Page 11 [Science,285,391(1999);

   در آگوست گروه گام بعدي را برداشت و گزارش داد كه سوئيچ‌هاي مولكولي زنجيره‌اي را ميتوان بارها پيكربندي مجدد – يعني بين حالت روشن و خاموش سوئيچ"- نمود.[Science,286,1172(2000)] اگرچه تفاوت حالات "روشن" و "خاموش" ( از نظر مقاومت الكتريكي ) بسيار كمتر از حدي است كه براي مدارات منطقي مفيد باشد، ولي  اين سوئيچ‌ها، به گفته هيث، براي حافظه مناسب هستند . هيث خاطرنشان مي‌كند كه اهميت اين كار در اين بود كه براي اولين بار او فهميد كه سوئيچ‌هاي مولكولي مي‌توانند تحت شرايط عادي، بارها و بارها عمل كنند.

تك لايه اي از "زنجيره‌ها" كه بين دو صفحه الكترود محدود شده، به عنوان سوئيچ مولكولي عمل مي‌كند

         

 

        محققين UCLA  هم‌اكنون سوئيچ‌هاي مولكولي قابل تغيير ديگري دارند كه نسبت به مورد ماه آگوست پيشرفتهاي زيادي كرده است . آنها انتظار دارند به زودي، اين سوئيچ‌ها را در مدارات منطقي و حافظه بكار ببرند. هيث مي‌گويد :" پس از آن ما بايد آن سوئيچ‌ها را وارد گفتگو با هم كنيم، تا شما صاحب يك كامپيوتر شويد. نمونه اوليه چنين كامپيوتري تنها سه يا چهار سال ديگر وقت مي‌خواهد.

به سمت يك استراتژي نانوسلولي :

يك مدل كاملا" متفاوت براي ساخت كامپيوترهاي مولكولي از پايين به بالا در مركز علوم و فناوري نانوي دانشگاه رايس درهوستون پيگيري مي‌شود. استاد شيمي جيمز تور و همكارانش در آنجا سيمهاي مولكولي را ساخته و مطالعه كرده‌اند. نانوسيمهاي آنها رشته‌هاي مزدوجي است كه در آنها به عنوان مثال حلقه‌هاي عاملي‌ بنزن بطور يك در ميان با گروههاي استيلني قرار گرفته است. اين سيمها گروههاي عاملي خاصي در دو سر خود دارند كه مثل " گيره‌هاي تمساحي" موجب اتصال سيمها به طلا يا  الكترودهاي ديگر مي‌شوند. با استفاده از چنين تكنيكهايي تور و همكار تمام وقتش مارك ريد، استاد مهندسي برق و فيزيك كاربردي دانشگاه ييل، توانسته‌اند جريانهاي الكتريكي كوچكي را كه از ميان اين سيمها مي‌گذشت، اندازه‌گيري كنند.
 آزمايشگاه تورمولكولهاي مشابه ديگري نيز ساخته است، مثل حلقه‌هاي آروماتيك با گروههاي استيلني يك در ميان كه به صورت ديوديا سوئيچ مولكولي عمل مي‌كنند. سال گذشته مثلا" تور و ريد تك لايه‌اي از چنين مولكولي گزارش كردند، كه وقتي تا 60 درجه كلوين سرد مي‌شد، رفتار سوئيچ‌كنندگي غيرعادي نشان مي‌داد كه در ابزارهاي سيليكوني مرسوم ديده نشده است.] C&EN,Nov 22,1999,Page11 [Science,286,1550(1990); وقتي به اين تك لايه ولتاژي با افزايش منظم اعمال مي‌شد مولكولها تا قبل از يك آستانه ولتاژي، جريان محسوسي را عبور نمي‌دادند و پس از آن با افزايش ولتاژ جريان به سرعت افزايش يافته و سپس قطع مي‌شد. ريد و تور اين رفتار سوئيچ‌كنندگي را كه به مقاومت تبعيضي منفي ( NDR ) معروف است، در مولكول مشابهي در دماي اتاق نيز مشاهده كردند ، هرچند كه تأثير آن چندان گيرا نبود. از آنجاكه اين مولكولها مي‌توانند بين دو حالت اكسيداسيون پايدار سوئيچ كنند، مي‌توانند اطلاعات را به شكل "0" (حالت عايق)، يا "1" (حالت رسانا) ذخيره كنند و درنتيجه به عنوان حافظه مولكولي بكار روند. [Appl.Phys.Lett.,77,7224(2000)]

   تور: آموزش دهي نانوسلولها براي محاسبه                              

 

 

 

مولكولهاي داراي خواص دستگاهي غيرعادي مثل NDR از منظر علمي ، به گفته هيث ،"بسيار جالب توجه اند. اين هيجان‌انگيز است كه شما بتوانيد خاصيتي را در يك مولكول با استفاده از تكنيكهاي مرسوم بيافرينيد و مشاهده كنيد كه آن خاصيت در يك دستگاه قابل اطمينان با قراردادن آن مولكول بين دو الكترود ، ظهور پيدا كند. اين نتيجه‌اي است كه هيچ‌كس انتظار ديدنش را نداشت. اين به معناي آن است كه شما مي‌توانيد به قصر كاملي از وسايل با خواص منحصر به فرد فكر كنيد."

توروريد در تحقيقاتشان دريافتند كه اين مولكول در 60 درجه كلوين ، مقاومت منفي جزئي (يك نوع رفتار سوئيچي) از خود بروز مي‌دهد و مثل يك حافظه قادر به ذخيره اطلاعات است.

تور اميدوار است كه چنين مولكولهاي عمل‌كننده‌اي را براي ساخت يك كامپيوتر مولكولي بكار بگيرد. همانطور كه درماه آگوست در يك سخنراني در همايش ملّي جامعه شيمي آمريكا در واشنگتن ايراد كرد، اين كامپيوتر از واحدهاي ساده‌اي كه " نانوسلول"  ناميده مي‌شوند تشكيل شده است. اين واحدها بطور شيميايي خودچيدمان هستند و براي انجام كار لازم برنامه‌ريزي مي‌شوند.

 فرايندهاي خودچيدماني كه در قلب اقدامات دانشگاههاي رايسييل و UCLA براي ساخت كامپيوتر مولكولي قرار گرفته است، ناكاملند. يعني قادر به تضمين موقعيت و جهت صحيح يك مولكول خاص نيستند. البته اين خيلي مهم نيست، چون هر دو طرح كامپيوتري نسبت به نقايص اغماص زيادي دارند.از اين جهت تمايز خشني با كامپيوترهاي امروزي دارند كه با يك عنصر معيوب زمين‌گير مي‌شوند.

 نانوسلولي كه تور و همكارانش بدست آورده‌اند، حدود يك ميكرومترمربع است و شامل يك آرايه دو بعدي از چندصد نانوذره فلزي است كه توسط حدود 1500 مولكول عمل‌كننده (مثل آنهايي كه NDR را بروز مي‌دهند) به هم متّصل شده‌اند. اين مولكولها ، نانوذرات را به درگاههاي ورودي و خروجي پيرامون نانوسلول نيز متّصل مي‌كند. بنابراين با تركيبات متفاوتي از اين دريچه‌هاي ورودي و خروجي ، مي‌توان مسيرهاي حامل جريان مختلفي را مشخّص كرد.

يك  چيپ آزمايشي (چپ) كه توسط ريد طراحي شده و براي مطالعه مشخّصات جريان /ولتاژ مولكولهايي كه تور آماده كرده است بكار گرفته شده است . دو تصوير سمت راست نماهاي بزرگتر شده مركز دو الگوي مربعي مختلف روي چيپ است. در تصاوير بزرگ‌شده ، سيمهاي در طول لبه‌ها تا دنياي ماكروسكوپي امتداد يافته‌اند. دراينجا دريچه هاي تست قادر به قلاب شدن و گير كردن هستند. بعضي از خطوط ليتوگرافي كه در مناظر بزرگ‌شده، ديده مي‌شوند، در تماس با صفحات طلايي كه 3/0 تا  1]ميكرو[ متر فاصله دارند، قرار مي‌گيرند. وقتي چيپ بطور آني در محلولي از تركيب آزمايشي قرار مي‌گيرد، مولكولها خودشان را در عرض اين صفحات سوار مي‌كنند . خواص الكتريكي اين مولكولها را مي‌توان مطالعه كرد.

به گفته تور، ترتيب نانوذرات و مولكولهاي اتّصال‌دهنده در اين مسيرها، تصادفي است و مسيرها احتمالا" در ابتدا قادر به انجام هيچ عمل منطقي نخواهند بود ولي با اعمال پالس‌هاي ولتاژي به تركيبات مختلف دريچه‌هاي ورودي و خروجي، امكان آن وجود دارد كه مولكولها را گروهي " روشن" يا " خاموش" كرد. اين كه كدام سوئيچ روشن (رسانا) و كدام يك خاموش (عايق) است، مشخّص نيست، ولي اهميتي هم ندارد. در يك روال حدس و خطايي ، الگوريتم‌هاي كامپيوتري خاصي بطور پشت سرهم كار تست و تعمير را (با استفاده از پالس‌هاي ولتاژي با مقادير متفاوت) انجام مي‌دهند تا اين كه آن مسير عمليات مطلوب را مثلا" به عنوان يك گيت يا افزاينده منطقي انجام دهد. يك كامپيوتر مولكولي واقعي حداقل شامل صدهزار تا يك ميليون نانوسلول خواهد بود ، كه با ليتوگرافي معمولي به هم مرتبط شده‌اند. پس از اين كه اولين نانو سلولها تعليم داده شدند، آنها به صورت تست‌كننده و تعليم‌دهنده نانوسلولهاي اطرافشان عمل خواهند كرد . بنا به گفته تور، اين نحوه " خود راه‌اندازي" امكان برنامه‌ريزي و تعليم‌دهي سريع و اتوماتيك نانوسلولها را فراهم مي‌آورد.

او همكارانش قبلا" با مدلسازي (شبيه‌سازي) نشان داده بودند كه به يك نانوسلول مي‌توان انجام يك عمل خاص را تعليم داد. ولي تور مي‌گويد:"ما هنوز يك نانو سلول كامل را نساخته‌ وبه آن برنامه نداده ايم. هرچند چنين برنامه‌ريزي‌اي در عرض شش‌ماه صورت خواهد گرفت." گذشته از اين مسئله، او و اعضاي تيم‌اش هنوز بايد بر معضلات دشوار بسيار ديگري فائق آيند تا يك نمونه موفق از كامپيوتر مولكولي‌شان را عرضه كنند.

 مشابه  دانشمندان UCLA ، تور نيز فكر نمي‌كند كه كامپيوتر مولكولي در كوتاه‌مدت جايگزين كامپيوترهاي سيليكوني فعلي شود. با اين حال، الكترونيك مولكولي اولين مورد مصرف خود را در سيستمهاي مخطوط كه مولكولها در هماهنگي با سيليسيم عمل مي‌كنند" خواهد يافت.

سوئيچ كردن با نانولوله‌ها :

همه مدلهاي محاسبه مولكولي الزاما" برمبناي مولكولها نيست، كه با سنتز آلي مرحله به مرحله قابل دسترسي باشند. مثلا" در دانشگاه هاروارد ، استاد شيمي چارلز ليبر و همكارانش - توماس روئكس، كيونگ‌ها كيم، و  ارنستو جوزلويچ - در حال بكار انداختن نانولوله‌هاي تك ديواره (SWNTها) براي استفاده در اجزاي دستگاهي (مثل سوئيچ‌ها) و سيمها براي خواندن و نوشتن اطلاعات هستند.

 ايده ليبر عبارتست از الگودهي يك آرايه از نانولوله‌هاي موازي- روي يك لايه نازك دي‌الكتريك (عايق) كه نمونه رسانا را پوشش مي دهد- كه سپس در بالاي اين آرايه ، آرايه موازي ديگري از نانولوله‌ها، به زوايه قائمه به صورت آويزان قرار مي‌گيرد. نانولوله‌هاي بالايي بطور غيرهم‌سطح پاييني‌ها را قطع مي‌كنند، چون به كمك بلوك‌هاي تكيه‌گاهي با فواصل منظم 5 نانومتر بر فراز نانولوله‌هاي پاييني نگه داشته‌شده‌اند. هر نانولوله در انتهايش به يك الكترود فلزي متّصل است. ليبر و همكارانــش در مقالــه جديدشان [Science,289,94(2000)]  اين چنين بيان كردند : " هر نقطه تقاطع در اين ساختار يك عنصر دستگاهي محسوب مي‌شود". و هر عنصر دستگاهي در دو حالت مي‌تواند باشد : در حالت " خاموش"  لوله‌هاي متقاطع كاملا" از هم جدا بوده و لذا مقاومت تماسي در اين نقطه بسيار بالاست. در مقابل، در حالت " روشن"  نانولوله‌هاي بالايي به سمت لوله‌هاي پايين آنقدر كشيده مي‌شوند تا با آنها تماس يابند ، كه در نتيجه مقاومت تماسي فوق‌العاده كم خواهد شد.

                                                             

 ليبر: آرايه‌هاي نانولوله ‌ نانوسيم 

اين محققين مي‌نويسند: " با باردار كردن گذراي نانولوله‌ها- به منظور توليد نيروهاي الكترواستاتيك جاذبه يا دافعه‌اي- يك عنصر دستگاهي مي‌تواند بين اين دو حالت تعريف شده- روشن و خاموش- سوئيچ كند." اين كار با اعمال پالس ولتاژي به زوج‌الكترودهايي كه يك نقطه تقاطع خاص را نشانه گرفته‌اند، صورت مي‌گيرد. به گفته ليبر، وضعيت – روشن يا خاموش – هر نقطه تقاطع را با سنجيدن مقاومت تماسي به راحتي مي‌توان خواند. چنين آرايه متقاطعي را نه تنها براي شكل‌دهي عناصر منطقي كامپيوترها ، كه به عنوان يك حافظه دسترسي اتفاقي (RAM) غير فرار نيز مي‌توان بكار برد، چراكه مزاياي‌قابل ملاحظه‌اي نسبت به RAMهاي نيمه‌هادي مرسوم از نظر اندازه، سرعت و هزينه دارا مي‌باشند. ليبر مثلا" مي‌گويد، كه  10¹²  عنصر دستگاهي را مي‌توان در     ² Cm 1 از يك چيپ جا داد. اين در حالي است كه يك  چيپ پنتيوم با اين اندازه  10⁷ تا  10⁸ قطعه را در خود جا مي‌دهد. به علاوه، هر عنصر اين حافظه نانولوله‌اي قادر به ذخيره يك بيت است، در حالي كه ابزارهاي سيليكوني فعلي، به يك ترانزيستور و يك خازن براي ذخيره يك بيت در RAM متغير (كه بايستي پي در پي از نو پر شود ) يا چهار تا شش ترانزيستور براي ذخيره يك بيت در RAM  ايستا نيازمندند. اضافه بر اين، بنا به ازمايشات و محاسبات انجام شده،RAM نانولوله‌اي عمل سوئيچينگ را با سرعت GHz100 ، يعني 100 برابر سريعتر از نسل جديدچيپ هاي  شركت اينتل انجام مي دهند.

آزمايشات گروه هاروارد تاكنون روي اتّصالات منفرد كلاف‌هاي با قطر 20 تا 50 نانومتر نانولوله كه به "طناب" موسوم هستند، صورت گرفته است. در چندين دستگاه مشابه ، ليبر و همكارانش سوئيچينگ بازگشت‌پذير را بين دو حالت تعريف‌شده روشن و خاموش مشاهده كرده‌اند : " ما فكر مي‌كنيم اين آزمايشات كاملا" ايده معماري ارائه‌شده از طرف ما را اثبات مي‌كند."

بااين حال اتّكا صرف به نانولوله‌ها براي اين آرايه متقاطع مشكل‌زاست. محققين هاروارد بطور آرماني دوست دارند ، آرايه‌ها را با SWNT هاي منفرد با ضخامت نانومتري بسازند – نانولوله‌هاي نيمه‌هادي در پايين و نانولوله‌هاي فلزي در بالا. ليبر در اين باره مي‌گويد : " ما هميشه نيازمند اتّصالات فلز /نيمه‌هادي خواهيم بود" – براي عمل يكسوسازي؛ يعني به جريان فقط در يك جهت اجازه عبور مي‌دهند. اتّصالات يكسوساز موجب اطمينان از اين مي‌شود، كه وضعيت هر اتّصال را مستقل از بقيه بتوان خواند.

 متأسفانه كسي نمي‌داند چگونه نانولوله‌ها را بنا به نياز به شكل فلزي يا نيمه‌هادي بسازد.اين محققين نوعا" كار خود را با بكارگيري مخلوطي از انواع متفاوت نانولوله‌ها يا انجام مشاهدات شانسي صورت مي‌دهند. يك راه براي فائق آمدن براين مشكل استفاده از نانوسيمهاي نيمه‌هادي آغشته در كنار نانولوله‌هاست. گروه ليبر چند سال گذشته را صرف توسعه يك روش كاتاليتيكي ليزري براي ايجاد نانوسيمهاي با اندازه‌هاي گوناگون، منجمله نيمه‌هادي‌هاي سيليسيم، ارسنيدگاليم، فسفيد اينديم و غيره كرده‌اند . اين روش به قول ليبر، امكان ، " كنترل سنتزي بالايي" را روي قطر ، طول و خواص الكتريكي اين نانوسيمها فراهم مي‌آورد.

 اخيرا" به عنوان مثال  گروه او نشان داده اند، كه نانوسيمهاي سيليكوني را مي‌توان با ديگر عناصر آغشته كرد تا مواد نيمه‌هادي نوع N (آغشته به الكترون) يا نوع P (آغشته به حفره) را بدست دهد.,104,5213,(2000)] J.Phys.Chem.B [ليبر خاطرنشان مي‌كند : " يك نانوسيم سيليكوني نوع N، هميشه با يك نانولوله‌ اتّصالي يكسوساز را شكل مي‌دهد؛ چه نانولوله فلزي و چه نيمه‌هادي باشد." بعلاوه با تقاطع نانوسيمهاي آغشته با نانولوله‌ها، اتّصالات دستگاهي با انواع مختلفي از خواص الكترونيكي را مي‌توان داشت. و لذا اگر شما به ساخت ابزارهاي مخلوط علاقه‌مند باشيد، وارد كردن اجزاي سيليكوني] آغشته[ به دستگاهتان  معني‌دار خواهد بود.

نماي سه بعدي ايده ليبر براي يك آرايه متقاطع معلّق با چهار اتّصال نانولوله (عناصر دستگاهي) ، كه دو تا آنها در وضعيت " روشن" (در حال تماس) و دوتاي ديگر در وضعيت " خاموش" (جدا ازهم) قرار دارند. نانولوله‌هاي پاييني روي يك لايه نازك دي‌الكتريك ( مثلا" Sio₂)  هستند، كه در بالاي يك لايه رسانا ( مثلا" سيليسيم با آغشتگي بالا) قرار گرفته‌است. نانولوله‌هاي بالايي به كمك چند تكيه‌گاه (بلوكهاي خاكستري) آويزان شده‌اند. هر نانولوله به يك الكترود فلزي (بلوكهاي زرد) متّصل است.

 چگونه اين آرايه‌هاي متقاطع ساخته مي‌شوند؟ يك استراتژي نويدبخش ، به گفته ليبر ، الگودهي شيميايي سطح به صورت خطوط موازي با فاصله چندنانومتر و سپس استفاده از يك جريان مايع روي سطوح الگودهي شده براي رديف كردن نانوسيمها در آن الگوهاست. وي مي‌گويد : " ايجاد آرايه معلّق نيازمند حقّه بيشتري است،" ولي ممكن است با رشد كنترل شده نانولوله‌ها ازنانو ذرّات كاتاليستي، ]فرايند ساخت نانولوله[ اين كار را بتوان انجام داد.

ليبر مي‌گويد گروهش ديوانه‌وار كار مي‌كند تا آرايه‌هاي متقاطعي را بسازد كه شامل 16000 اتّصال و " دانسيته‌اي فراتر از آنچه در چند سال آينده فناوري سيليسيم مي‌تواند انجام دهد" باشد. به گفته او، چنين چيپي        به معناي طي كردن بخش مهمي از راه است – البتّه يك قسمت خيلي كوچك از راه دراز تجاري شدن فناوري نانوالكترونيك.

چيدمان و محاسبه متكي بر DNA :

ايده آرايه‌ها، سيمهاي متقاطع، و محاسبات در كارهاي استاد شيمي نادريان سيمن در دانشگاه نيويورك نيز نمود يافته است. ولي در اين مورد، سيمها ، رشته هاي زيگزاك ، به هم بافته و متقاطع DNA هستند كه مشابهشان در طبيعت ديده نشده است. برخي از اين مولكولها براي ساخت اشيا و ابزارهاي نانومتري برپايه DNA يا حتي محاسبه DNA اي مناسب هستند.

در طول دو دهه گذشته ، سيمن از پتانسيل DNA براي ساختن يا به عنوان مواد ساختماني ساختارهايي مثل بلورها يا نانوابزارها، بهره جسته است. او و همكارانش با استفاده از مولكولهاي DNA شاخه‌دار دو رشته‌اي با سرهاي چسبنده ( لبه‌هاي رشته‌هاي‌ DNA كه مي‌توانند به لبه‌هاي مكّمل رشته‌هاي DNA ديگر متّصل شوند)، اشياي نانومتري پيچيده‌اي مثل مكعب، هشت‌وجهي ناقص و ديگر اشكال ساخته شده ازDNA را بدست آورده‌اند.

سيمن اميدوار است در نهايت قادر به ساخت ساختمانهايي تو در تو به شكل دو و سه بعدي باشد، به نحوي كه نيازي به تعيين مكان ويژه اي روي- براي يك جزء خاص كه بايستي وارد آرايه شود- نباشد. وي مي‌گويد : " من معتقدم اين مسئله ما را واقعا" به جامدات طرّاح و مواد هوشمند مي‌رساند."

 بااين حال خاطرنشان مي‌كند،كه   به عنوان يك ماده ساختماني ، DNA شاخه‌دار معمولا" فاقد سفتي است. بنابراين در سالهاي اخير گروه او، نحوه‌هاي چيدني از رشته‌هاي DNA ارائه داده‌اند كه استحكام ساختماني بيشتري داشته، و براي ساخت آرايه‌هاي دو بعدي DNA و يك ابزار نانومكانيكي كه بازوهاي صلب آن فقط بين دو حالت ثابت قادر به چرخش‌اند، بكار گرفته شده‌اند.

 آخرين شاهكار سيمن در اين راستا، مولكولهاي موسوم به چليپاي سه گانه است كه چهار رشته DNA با هم تركيب شده‌اند تا سه مارپيچ دو رشته‌اي مسطح موسوم به كاشي را به وجود بياورند.] J.Am.Chem.Soc.,122,1848(2000) [ اين مارپيچ‌ها ازطريق چهار نقطه، كه رشته‌هاي يك مارپيچ به مارپيچ ديگر وصل مي‌شوند ، به همديگر زنجير شده‌اند. و البتّه  مي‌توانند رشته‌هاي چسبيده همتاي خود را مبادله ‌كنند. مارپيچ مركزي با حلقه‌هاي سنجاقي در دو سر بسته شده است،ولي مارپيچ هاي ديگر سرهاي چسبنده‌اي دارند كه به كاشي‌ها امكان مي‌دهد يكديگر را بشناسند.

 بنا به گفته سيمن و همكارش جان‌ريف ، يك استاد علوم كامپيوتر دانشگاه دوك، سرهاي چسبنده شامل اطلاعاتي هستند كه به كاشي امكان مي‌دهد خودچيدماني را به صورتي كه يك محاسبه منطقي صورت گيرد، انجام دهند. [Nature,407,493(2000)]  آنها و همكارانشان چنگ‌دي مائو و توماس لابين به كمك عمل منطقي موسوم به "XOR فزاينده" از اين كاشي‌ها براي انجام چهار مرحله محاسباتي روي رشته‌اي از صفر و يك‌ها استفاده كرده‌اند. نتيجه عمل XOR، "0" است كه اگر دو عدد پياپي مشابه باشند (0 و 0 يا  1 و 1) و  1 است،  اگر دو عدد متوالي متفاوت باشند. ارزش هر كاشي (0 يا 1) به كمك يك “محل محدوديت” (توالي خاصي از DNAكه شناخته‌شده و با آنزيمهاي "محدوديت" بريده مي‌شوند) مشخّص مي‌شود.

كاشي‌هاي ورودي و خروجي ، سرهاي چسبنده متفاوتي دارند.و در محلول با كاشي‌هاي" نبشي" مخلوط هستند. كاشي‌هاي نبشي ارزشهاي محاسبه را در ابتداي كار وارد كرده و به تاسيس يك قالب كاري براي ارتباط كاشي‌هاي ورودي و خروجي كمك مي‌كنند. كاشي‌ها مطابق الگوريتمي كه توسط كاشي‌هاي خروجي تعيين شده است، عمل خود چيدماني را انجام مي‌دهند (به طور اتوماتيك كنار هم قرار مي‌گيرند.) كـاشي‌هاي ورودي در ابتدا در يك وضعـيت مسطح پلكاني چيده مي‌شوند.و بسته به نحوه مرتّب شدنشان، كاشي‌هاي خروجي خود را- ازطريق جفت شدن سرهاي چسبنده مكمل يكديگر- در شكافهاي كوچك موجود روي پلكان جا مي‌دهند.

سيمن: محاسبه نانوهرتز با          DNA

 پس از كامل شدن مجموعه، پاسخ بايد استخراج شود . يك رشته گزارشگر كه درون هركدام از كاشي‌ها بافته مي‌شود، شامل محل محدوديتي است كه ارزش كاشي را مشخّص مي‌كند. رشته‌هاي گزارشگر مربوط به كاشي‌هاي مجاور به يكديگر جوش خورده ، رشته‌اي درازتر ايجاد مي‌كنند، كه از مجموعه خارج مي‌شود رشته به هم جوش خورده،پس از تقويت شدن، باكمك آنزيمهاي محدوديت بريده‌شده و اجزاي حاصل به كمك الكتروفوريزيس ژل سنجيدهمي‌شوند. سيمن مي‌گويد : " اين كار از همه جهت شبيه توالي‌سنجي DNA است ،مگر اينكه دقّت عمل خيلي كمتر است!" ؛   پاسخ- ارزش كاشي‌هاي خروجي كه خودچيدماني كرده‌اند- را مستقيما" از الگوي خطوط در ژل مي‌توان خواند.

 اين مدل فقط از چهار ورودي سود مي‌برد. محاسبات طولاني‌تر نيز به گفته سيمن با يك مرحله ساده خودچيدماني انجام مي‌شود. ولي با افزايش تعداد مراحل محاسباتي، احتمال خطا بيشتر مي‌شود. در تجربه‌اي كه در مجلّه Nature بيان شده، ميزان خطا 2 تا 5% برآورد شده است.

 سيمن خاطرنشان مي‌كند كه اين خودچيدماني الگوريتمي ، نسبت به چيدمانيهاي DNAاي كه او روي آنها كار كرده است، به صحّت بيشتري نياز دارد .دركار قبلي‌ او روي آرايه‌هاي تناوبي، يك كاشي " صحيح" با كاشي‌هاي " غلط" رقابت مي‌كرد و " لذا فراهم‌آوري شرايط كاركرد صحيح زياد سخت نبود."  او مي‌گويد : " در اين مسئله ، كاشي صحيح با كاشي‌هاي نسبتا" صحيح رقابت مي‌كند. شما در اين مسئله بايد سخت‌گيرانه‌تر از مسئله ترتيب تناوبي كار كنيد. شما بايد به تمام صحت و درستي دست يابيد و نه نصف آن! "

اريك وين ‌فري ، يك دانشيار علوم كامپيوتر و سيستمهاي محاسباتي و عصبي در موسسه فناوري كاليفرنيا، چندسال قبل براي اولين بار پيشنهاد استفاده از DNA براي تقليد كاشي‌هاي وانگ را ارائه كرده بود- مربع‌هايي با گوشه‌هاي رنگي كه وقتي طوري كنار هم چيده شوند كه گوشه‌هاي همرنگ كنار هم قرار گيرند براي انجام محاسبات قابل استفاده‌اند. سرهاي چسبنده روي كاشي‌هاي DNA معادلهاي منطقي گوشه‌هاي رنگي كاشي‌هاي وانگ اند. وين فري با ذوق زدگي از مقاله سيمن-ريف مي‌گويد: " اين اولين ظهور تجربي ايده‌هايي است كه من در تز دكترايم مطرح كردم."

 هر چند، قسمت مشكل كار حركت از نظم يك بعدي به دو و سه بعدي است، وين فري مي‌گويد : " اين كار، موجب پردازش اطلاعات بسيار پيچيده‌تري  خواهد شد"- البته در صورت عملي شدن.

ديويد هارلان‌وود، يك استاد علوم كامپيوتر در دانشگاه دلاوير معتقد است، روشن سيمن براي ساخت بيش از محاسبه مفيد است. وود مي‌گويد : " وقتي من اين مقاله را خواندم و به ساختن فكر كردم؛  نظرات شگفت‌انگيزي در مورد سيخ‌ها يا تخته‌هاي پروازكننده در فضا داشتم." ولي او فكر كرد كه: " اعمال اين تكنيك محاسباتي در 10¹² مولكول مجزا از يكديگر،واقعاْ مشكل است. ولي در عوض، يك كامپيوتر الكترونيكي قوي  مي‌تواند در كمتراز يك ميكرو ثانيه مشكلات اين مقياس را در هم بكوبد."

 سيمن تأييد مي‌كند :" ما در اينجا در مورد گيگاهرتز صحبت نمي‌كنيم منظور ما 100 نانوهرتز است."  در هر صورت، سيمن مي‌گويد ، كه هدف اوليه‌اش چند محاسبه در هر ثانيه نيست، بلكه چيدماني الگوريتمي DNA براي ساخت نانوساختارهاي جديد و ذاتا" مفيد است. نانوساختارها ، درهر حال چه براي انجام محاسباتي با سرعت نور، شناسايي مولكولها در طبيعت، حذف عوامل بيماريزا از بدن، يا بهبود خواص مواد طراحي شوند، كليد  راهگشايي براي نانوتكنولوژي خواهند بود.

كاربرد فناوري نانو براي بهتركردن روغن‌كاري سطوح لغزنده

روان­سازهاي جامد بر پايه فناوري نانو، به طور مستقيم و يا به صورت افزودني به روانسازهاي مايع، استفاده مي شوند. در مطلب زير سعي شده است با بررسي مبحث روانکاري به اثرات استفاده از نانوتکنولوژي در روانکاري اشاره گردد:

مقدمه

روان‌سازها اصطكاك و فرسودگي بين سطوح تماس را كاهش مي‌دهند. اكثر روان‌سازهاي مايع، روغن وگريس هستند. در كاربردهايي مثل كاربردهاي فضايي و اتاقهاي بسيار تميز (clean room) و نيز در اجزاي كوچك و دستگاه‌هايي كه نياز به تعمير آسان داشته باشند، بجاي روان‌سازهاي مايع از روان‌سازهاي جامد استفاده مي‌شود. آنها همچنين در خلاهاي بالا، براي نگهداري بلندمدت و دوره‌اي و در شرايطي كه نياز به تحمل بار زيادي مي‌باشد، به كار مي‌روند. روان‌سازهاي جامد در شرايط دما و فشار بالا، راديواكتيويته و محيط فعال شيميايي بخوبي عمل مي‌كنند و به صورت پودر خشك، پوشش و يا افزودني به روان‌سازهاي مايع مورد استفاده قرار مي‌گيرند. مورد اصلي در استفاده از آنها پاسخ به افزايش تقاضاهاي تجاري براي بهبود عملكرد روان‌سازها مي‌باشد.

روان‌سازهاي جامد، عموماً موادي لايه‌اي مانند گرافيت، دي‌سولفيد موليبدن و دي‌سولفيد تنگستن هستند كه لايه‌هاي مولكولي تحت نيرو، اصطكاك را با لغزش روي همديگركاهش مي‌دهند. اما اين لايه‌هاي مولكولي ممكن است به سطوح آسيب برسانند زيرا واكنش شيميايي لايه‌ها با سطوح، باعث تجزيه، شكست و خمش سطوح فلزي مي‌شوند.آنها با جمع‌شدن روي سطوح باعث ايجاد اختلال در ماشين‌كاري و ساييده شدن بيشتر قطعه فلزي مي‌شوند بنابراين نياز به روان‌سازهاي جامد پايدارتر و كوچكتر داريم.

كارخانه‌ها و نيروگاه‌ها و بقيه صنايع نياز روزافزون به روان‌سازهاي پايدار دارند كه مشخصاً اصطكاك و فرسوده‌‌شدن را كاهش مي‌دهد. بخصوص در صنايع خودروسازي احتياج به گريس و روغن داريم كه براحتي قابل نگهداري باشند. در هوافضا، ابزارسازي، حفاري وصنايع نيمه‌هادي‌ها به روان‌سازي جامد با كيفيت بيشتر احتياج داريم.

ورود فناوري نانو

روان‌سازهاي خشك كه به روش فناوري نانو توليد مي‌شوند، ساختارهاي معدني كروي شكل دارند و قطر آنها در حدود nm 20 تا nm 50 است. ساختار هندسي آنها به صورت مواد معدني فولرين شكل مي‌باشد كه به نانوذرات IF مشهور هستند. در مقايسه با صفحه‌هاي پهن روان‌سازهاي جامد مرسوم، اين ساختارهاي فولرين شكل به طرز قابل توجهي كوچكتر هستند (در حدود 20 مرتبه يا بيشتر). آنها مانند توپ‌هاي مينياتوري عمل مي‌كنند كه در حول سطوح مي‌چرخند و باعث راحتي حركت قطعات تماسي مي‌شوند.

اصول علمي

استفاده از روان‌سازهاي جامد بر پايه فناوري نانو توسط گروه نانومواد انستيتو علوم وايزمن در اسرائيل كشف شد. آنها فهميدند روان‌سازهاي جامد تركيبات معدني لايه‌اي هستند مانند دي‌سولفيد تنگستن كه مي‌توانند به شكل فولرين درآيند. اين گروه شرايط خاصي را اعمال كرد كه لايه‌هاي اين مواد بتوانند روي خودشان خم شوند و به صورت نانوذرات درآيند.

روان‌سازهاي جامد IF نتايج زيادي در توليد صنعتي وتسهيل فرآيند واحدهاي صنعتي دارند. اول اينكه آنها اصطكاك و فرسودگي قطعات را هفت برابر بهتر از روان‌سازهاي تجاري كاهش مي‌دهند. به ويژه اينكه در بارگذاريهاي زياد، آنها با افزايش بازدهي استاندارد روغن، نياز به روغن‌كاري را كاهش مي‌دهند كه باعث ذخيره انرژي ،كاهش هزينه‌هاي جاري، نگهداري داخلي ارزان‌تر، دقت بيشتر ماشين‌هاي بخش‌هاي مختلف و حفظ محيط زيست مي‌شود. همچنين به دليل كم‌كردن اصطكاك، با كاهش صدا، ارتعاش و گرما مواجه هستيم.

با استفاده از نانو ذرات IF به عنوان افزودني به روغن و گريس‌ها، تقاضاي صنايع براي افزايش عملكرد و حفظ محيط زيست برآورده مي‌شود. خسارت فعلي ناشي از تعطيلي صنايع روزانه ميليون­ها دلار مي­باشد. شركتها‌ تمايل دارند به منظور كمتر كردن هزينه‌ها، از روان‌سازهاي دايمي استفاده كنند.

روان‌سازهاي IF نشان داده‌اند كه نسبت به روان‌سازهاي مرسوم اصطكاك را به مقدار زيادي پايين مي‌آورند و از دوام طولاني‌تري برخوردارند. بنابراين براي كاربردهاي دايمي مناسب‌تر هستند. كاربرد روان‌سازهاي IF همچنين باعث كم‌كردن مقدار روغن‌كاري مي‌شود. اضافه‌كردن روان‌سازهاي جامد به روغن‌هاي ماشين، بدون كاهش كيفيت عملكرد، مقدار ماده روان‌ساز مورد احتياج را كاهش مي‌‌دهد.

دليل ديگر اينكه مواد معدني فولرين شكل در تحمل نيروهاي با مقدار بزرگ بهتر عمل مي‌كنند. خواص ويژه اين مواد مقاومت بالايي به آنها مي­دهد. گزارش شده است كه نانوذرات دي‌سولفيد تنگستن به طور قابل توجهي بيشتر از روان‌سازهاي استاندارد در مقابل شوك فشار شديد 210 مقاومت كرده‌اند.

اثر دي‌سولفيد تنگستن فولرين نانوكره، بر مقاومت خستگي شفت‌هاي تحت فشار در هنگام انجام كار در حال بررسي است ولي گزارشات ديگر نشان داده است اضافه‌كردن مقدار كمي از اين مواد، علاوه بر كاهش چشمگير اصطكاك و فرسودگي، باعث افزايش عمر قطعات حركت‌كننده در ماشين‌كاري سنگين در مقايسه با روان‌سازهاي معمول مي‌شود.

تاكنون، براي كاهش اصطكاك مجبور به صاف كردن زياد سطوح و از بين بردن ناهمواري‌ها تا حد امكان بوديم ولي با تكنولوژي نوين، ديگر لازم نيست سطوح را كاملاً صاف و صيقلي كنيم زيرا ذرات كوچك در درزها و شكاف‌هاي كوچك سطوح ناهموار گير مي‌افتند و باعث ليز شدن، حين انجام كار مي‌شوند.

پيشرفت‌هاي بيشتر در متالوژي پودر، انواع قسمت‌هاي خود روغن‌كار را بهبود مي‌دهد. آغشته‌كردن حفره‌ها و درزهاي فلزهاي پودرشده با ذرات IF ، خواص سايشي آنها را در مقايسه با وقتي كه به روغن يا سولفيد تنگستن يا دي سولفيد موليبدن آغشته شوند، بهبود مي‌بخشد.

با توجه به نياز صنايع به فرآيند روان‌سازي در كاربردهاي ويژه آنها و درنظر گرفتن ملاحظات زيست محيطي، سودآوري اقتصادي و كم كردن هزينه‌ها، روان‌سازهاي جامد بر پايه فناوري نانو يك گزينه ايده‌آل خواهد بود.

منبع : www.montegen.com

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

نانوافزودني‌هاي سوخت ديزل

 

اخيراً بيشتر تلاش ­ ها براي كاهش آلودگي در جهان بر روي موتورهاي ديزلي متمركز شده‌‌‌‌است. اين موتورها منبع اصلي نيرو در جهان براي موتورهاي تا 5000 اسب بخار مانند اتوبوس ­ هاي شهري مي‌باشند . اين موتورها ذرات بيشتري را نسبت به موتورهاي بنزيني مجهز به مبدل­هاي كاتاليستي منتشر مي‌كنند. در مطلب زير انواع نانوافزودني‌هاي سوخت ديزل بررسي مي‌شود:

افزودني‌هاي سوخت، موادي هستند كه به سوخت اضافه مي‌شوند تا انتشار ذرات آلاينده خروجي اگزوز ( (PM را كاهش دهند و تغييراتي در توليد CO ، NO x و HC ايجاد كنند. بكاربردن بعضي از اين افزودني‌ها باعث 15 تا 20 درصد كاهش در ميزان ذرات آلاينده( PM ) شده است. اين كاهش مي‌تواند نزديك به 99 درصد شود زماني كه با کاتاليست DPF استفاده مي‌شود. بعضي افزودني‌ها ميزان هيدروكربن‌هاي آروماتيک چندهسته‌اي را به ميزان 80 درصد كاهش مي‌دهند.

افزودني‌ها مي‌توانند از مقدار 10ppm (ده ذره در ميليون) تا 100ppm در سوخت تغييرات مقدار داشته باشند. افزودني‌ها كاهش قابل ملاحظه‌اي در دماي احتراق دود ايجاد مي‌كنند. جمع‌بندي اطلاعات منتشرشده در اين زمينه بيانگر كاهش مصرف سوخت از 5 تا 7 درصد بواسطه حضور افزودني‌‌هاي سوخت مي‌باشد.

افزودني‌هايي كه به سوخت ديزل اضافه مي‌شوند تا در دوده حذف شده در فيلترها، دماي اشتغال خروجي را كاهش دهند، كاتاليست‌ حاوي سوخت FDC خوانده مي‌شوند. اين افزودني‌ها همراه كاتاليست‌هاي فعال و غيرفعال استفاده مي‌شود. در ادامه ويژگي‌هاي انواع نانوافزودني‌هاي سوخت ديزل ذكر مي‌شود.

 

نانوافزودني‌ها با پايه سريم

اين افزودني‌ها به همراه فيلترهاي مناسب استفاده مي‌شوند. غلظت اين افزودني مي‌تواند بين 20 تا 100ppm باشد. غلظت‌‌هاي بالاي اين افزودني مشكلاتي همچون افزايش فشار برگشت ايجاد كرده است. با توجه به پيشرفت مواد نانوپودرها، اين افزودني به فرم نانوپودر توليد شده است كه باعث افزايش كارايي اين افزودني‌ها شده است به طوري كه اين نانوافزودني باعث كاهش ذرات آلاينده ( PM ) از 70 تا 98 درصد شده است. با استفاده از اين افزودني، ميزان NOx تغيير نكرده است و باعث افزايش مصرف سوخت به ميزان7/4 مي‌شود. افزودني‌هاي پايه سريم در اروپا به صورت گسترده استفاده مي‌شود فيلترهاي جديد شركت پژو متناسب با اين افزودني طراحي شده‌اند. علاوه بر آن، اين افزودني‌ها در تجهيزات جاده‌اي و غيرجاده‌اي استفاده شده است.

نانوافزودنيها با پايه پلاتينيم

افزودني‌هاي با پايه پلاتينيم همواره با فلز ديگري استفاده مي‌شوند. اين افزودني نيز، در مقياس نانو توليد شده است. اين نانوپودرها توانسته‌اند ميزان ذرات آلاينده 25 درصد هيدروكربن‌ها 35 درصد، مونوكسيد كربن 25 درصد و ميزان NO x 25 درصد را كاهش مي‌دهند. همچنين اين افزودني‌ها در حدود 5 تا 7 درصد كاهش مصرف سوخت ايجاد كرده‌اند. در ماشين‌هاي ديزلي سنگين، اين افزودني در حال حاضر در اروپا در مصارف جاده‌اي، غيرجاده‌اي و ثابت در حال استفاده مي‌باشد.

افزودني با پايه آهن

نانو افزودني پايه آهن باعث افزايش عدد اكتان و كاهش دماي اشتغال مي‌شود. در صورتي كه ميزان مصرف سوخت را 85/0 درصد افزايش مي‌دهد. اين افزودني در حال حاضر در كشور آلمان استفاده مي‌شود. استراليا و سوئد را نيز بيش از 5 سال است كه از آن استفاده مي‌كنند.

منبع: www.arb.ca.gov/regoat