تعريف ناتوتکنولوژي
موسسه ملي پيشگامي نانوتکنولوژي در آمريکا www.nano.gov تعريف زير را ارائه ميدهد: توسعه تحقيقات و فناوري در سطوح اتمي، مولکولي، و ماکرومولکولي با طول تقريبي 1 تا 100 نانومتر ، به منظور فراهم آوردن شناخت اصولي از پديده ها و مواد در نانو مقياس و به منظور ايجاد و استفاده از ساختارها، قطعات و سيستم هايي که به خاطر اندازه کوچک و يا متوسط خود داراي خواص و عملکردهاي جديدي هستند.
زير ساختارها
1- مواد نانوساختارها: ماده نانوساختاري به هر ماده اي اطلاق ميشود که ابعاد آن در مقياس نانومتري باشد« مانند نانوذرات و نقاط کوانتومي » مواد در مقياس نانومتري رفتار کاملا متفاوتي از خود بروز ميدهند، مواد توده اي که ما بصورت معمول با آنها سرو کار داريم در مقياسهاي کوچک رفتارغيرکنترل شده و نامنظمي دارند. همانطور که ذرات کوچکتر ميشوند خواص ماده تغيير ميکند، فلزات سخت تر و سراميکها نرمتر، خصوصيت نور يا ديگر تابشهاي الکترومغناطيسي که بوسيله اندازه تحت تاثير واقع مي شوند نيز تغيير مي کند.
موادي که داراي ساختار دقيق اتمي هستند ( نظير نانولوله هاي کربني) نسبت به مواد توده اي مشابه که ساختار و ترکيب اتمي در آنها بصورت تصادفي تغيير ميکند. خواص کاملا متفاوتي دارند. يک لوله تو خالي منظم کوچک از کربنها (نانو لوله هاي کربني) بطرز شگفت انگيزي محکم است و خواص الکتريکي و گرمايي جالب توجه و مفيدي دارد.
2- مواد نانوبلوري:
اگر اندازه دانه بلور در يک فلز به سمت نانو مقياس حرکت مي کند ، نسبت اتمهاي موجود بر روي مرزهاي دانه هاي اين جسم جامد افزايش پيدا مي کند و انها رفتاري کاملاً متفاوت از اتمهايي که روي مرزها نيستند بروز مي دهند. رفتار آنها شروع به تحت تاثير قرار دادن رفتار ماده مينمايد. نتيجه آن در فلزات شامل افزايش استحکام، سختي، مقاومت الکتريکي، ظرفيت حرارتي ويژه، بهبود انبساط حرارتي و خواص مغناطيسي و کاهش رسانايي حرارتي است.
فولاد متعارف داراي افزودنيهاي ذرات کربني است، اگر بتوان از افزودنيها با ساختارهاي بسيار ريز استفاده کرد نتيجه کار يک فولاد جديدي است که فوق العاده مستحکمتر است(پروژه شرکت تويوتاي ژاپن)
توليد مواد آمورف(موادي که داراي هيچگونه ساختار بلوري يا الگوي خاصي در مقياس اتمي خود نيستند) و تهيه روکش آمورف از فولاد بسيار سخت که داراي خاصيت ارتجاعي جالب توجهي است (پروژه وزارت انرژي امريکا)
افزايش سطح دانه در مورد نانو بلوري اغلب واکنش پذيري و حلاليت را افزايش مي دهد روش هاي نانوبلوري کردن مواد عبارتند از رسوب دهي يا الکترو رسوب دهي با ليزر پالسي يا روشهاي رسوب دهي شيميايي بخار که مي توانند هر سطحي را با فلزات ، نيمه هادي ها و ديگر مواد روکش دهند.
اگر بلورهاي داخل فلزات تحت فشار زياد در معرض نقش برشي بالا قرار گيرد. توانايي تبديل شدن به ذرات کوچکي که باعث افزايش استحکام، و افزايش چکشي خواري مي شود.
کاربردها: فلزات نانوبلوري در صنايع خودروسازي، هوافضا، صنايع ساختماني کاربرد دارد و ميتوانند بجاي فلزات و آلياژها به خدمت گرفته شود. در سالهاي اخير سراميکهايي ساخته شده است که در دماهاي بالاتر از دماي کنوني ابر رسانا ميشوند. (پروژه عملي در سوئد)
کاربرد روکشهاي نانو بلوري در ماشين آلات و يا روکش در استحکام پيلهاي خورشيدي و يا کاربرد نانوبلورهاي تيتانيوم در ساختمان اعضاي مصنوعي براي استحکام بيشتر و افزايش انعطاف پذيري بيشتر را مي توان نام برد.
3- نانوذرات:
روشهاي مختلف در زمينه امکان ساخت نانوذرات از مواد گوناگون و امکان کنترل بر روي اندازه، ترکيب و يکنواختي وجود دارد. نانوذرات در زمينه هاي زيست پزشکي– داروسازي، حاملهاي دارو- تشخيص بيماري ها صفحات خورشيدي– کاربرد دارد. نانوذرات در صيقل دهنده ها- رنگها، روکشهاي عينک– کاشيها– روکشهاي الکتروتروميک براي شيشه اتومبيلها و پنجره ها مورد استفاده قرار مي گيرند–روکشها غير قابل رنگ آميزي يا ضد دست نوشته– و يا ديوارهاي خود تميز کن مورد توجه مي باشد نانوذرات سراميکي اکسيد فلزي, نظير اکسيد تيتانيوم– روي آلومينيوم، آهن سيليکات (سراميکها) مي باشند.
اگر نانوذرات فلزي بدون اينکه ذوب شوند وادار به آميخته شدن در يک جامد شوند در بهبود کيفيت آن (نظير خازنها) موثر مي باشند.
نانوذرات چون داراي ابعاد کمتر از طول موج نور مرئي هستند به نور مرئي شفاف هستند که نسبت سطح موثر به حجم ذرات افزايش يابد (کاتاليزورها) ميتوانند سطح واکنشها را افزايش دهند.
روشهاي توليد نانوذرات عبارتند از:
چگالش از يک بخار
سنتوشيميايي
روش آسياب يا پودر کردن
مواد کامپوزيت
استفاده از نانوذرات در مواد کامپوزيت ميتواند استحکام انها را افزايش و يا وزن آنها را کاهش دهد، مقاومت شيميايي و حرارتي آنها را افزايش داده و خصوصيات جديدي نظير هدايت الکتريکي را افزايش دهد. مشهورترين بازار مواد کامپوزيت اجزاء ساختاري مبتني بر پليمرها مثلاً پلاستيک است در صنايع خودروسازي و هوا فضا، کاهش وزن در عين يکسان نگهداشتن استحکام فاکتور مهمي است. جايگزيني مواد ساختاري فولاد- آلومينيوم و بتن با مواد کامپوزيت پليمري در صورتي رخ ميدهد که نسبت به استحکام به وزن را افزايش دهد. کامپوزيتهاي پر شده بوسيله خاک رس در شرکت تويوتا کاربرد فراواني دارد.
نانوالياف (مخلوط الياف حاوي نانو لوله هاي کربني چند ديواره براي ايجاد خاصيت رسانايي ميتواند کاربردهاي چند منظوره داشته باشد.) مواد بسته بندي و روکشهاي مورد استفاده توانسته است بازار خوبي براي محصولات نانو توليد نمايند.
5- نانو کپسول ها
لفظ نانو کپسول شامل هر نانو ذره اي است که داراي يک پوسته و يک فضاي خالي جهت قرار دادن مواد مورد نظر باشد. مثال جالب توجه نانو کپسولي که طبيعت ساخته ديواره هاي سلولهاي بدن انسان ميباشد. (ليپوزوم ها) کارنانوکپسول براي جابجايي مواد و کنترل و رهايش و محافظت در برابر محيط ميباشد (دارها توسط سلولها وارد خون و توسط نانوکپسولها در بدن جابجا و محافظت مي شوند تا به محل مورد توجه برسند) فرايند عمومي ساخت کپسولها يک اموسيون روغن در آب يا آب در روغن به ترتيب نانوکپسولهاي روغني و آبي هستند مثلاً تزريق وريد نانوکپسولها مستلزم يک پايه آبي پس اموسيون روغن در آب ميباشد براي روکش دادن کپسولها ميتوان از پروتئين ها، پليمرها و مواد طبيعي يا مصنوعي استفاده کرد. بزرگترين کاربرد نانون کپسول ها در دارورساني هدفمند ميباشد. پيچيدگي سيستم زيستي و مکانيسم ساخت نانو کپسول ها – روش وارد نمودن داروها به درون آنها براي ايجاد اثرات فيزيولوژيکي گوناگون همگي زمينه ساز تحقيقات امروزه را فراهم ميکند. بطور مثال ميتوان نانو کپسولهاي پليمري را در اندازه ها و اشکال مشخص توليد کرد و با جايدهي يک مولکول خاص در ديواره اين نانو کپسولها آنها را کارکردي کرد. که اين يک سيستم داروسارزي هدفمند را طراحي ميکنم و وقتي به يک زيست مولکول خاص رسيد محتوي نانو کپسول را ازاد مي کنم بهترين مثال دارورساني با نانو کپسول ها – پروتئين هايي هستند که به سرعت در بدن تجزيه ميشوند. از کاربردها ديگر نانو کپسولها رسانش مواد شيميايي جهت مصارف کشاورزي و صنعت مواد آرايشي ميباشند. اين مواد ميتوانند رهايش مواد به درون پوست يا مو را به تاخير انداخته يا از موادي باشد که در برابر محيط بيرون محافظت کنند يا بعنوان عوامل شناسايي در علوم حيات استفاده کرد.
6- مواد نانو حفره اي:
مواد نانو حفره اي داراي حفراتي کوچکتر از 100 نانومتر هستند ديواره سلولها مملو از غشاهاي نانوحفره اي است. در حال حاضر صنعت نفت و ديگر صنايع سالها از مواد نانو حفره اي طبيعي موسوم به زئوليتها بعنوان کاتاليست سود جسته اند. سطح ويژه اين مواد نانوساختاري بالا ميباشد لذا جذب سطحي قابل توجه است (سطح ويژه معمولاً درحد چند صد متر مربع بر گرم است.)
(علاوه بر اثرات کاتاليزوري) قرار دادن مواد درون نانو حفرات موجب تغيير گوناگوني در خواص آن ميشود. از ديگر کاربردهاي جالب توجه حفرات داراي اندازه مشخص توانايي آنها در اجازه عبور دادن به برخي مواد و ممانعت از بقيه مي باشد.
راههاي بسيار زيادي براي ساخت مواد نانو حفره اي وجود دارد مثلا موادي را از يک جامد استخراج و حفراتي در آن بوجود آورد، يا مخلوطي از پليمرها را با حرارت دهي بصورت جامدات نانو حفره اي در آورد، روش سل ژل ( ) يا روش انروزلها (انتشار يک گارد در يک ژل به جامدي بسيار سبک تبديل مي شود روش پرتويوني و با استفاده از روش نور ماوراء بنفش (مولکولها را در لايه نازک سيليکاي شکنه (دانشگاه هاروارد – دانشگاه نيومکزيکو)
از کاربردهاي فيلتراسيون غشايي براي خالص سازي آب- خالص سازي داروها و آنزيم ها و فرايند توليد نيمه هادي ميتوان نام برد که ارزش بازار يابي آن صدها ميليون دلار است. يک سيستم انسولين رساني حاوي سلولهاي لوزالمعده موش در يک ماده نانو حفره اي است که ميتواند از سلولها در برابر سيستم ايمني بدن محافظت کرده به گلولز اجازه ورود و به انسولين اجازه خروج ميدهد. ساختن نيروهاي حالت جامد از سيليکون نانو حفره اي ايده هاي ايده آل اند و تاکنون مراحل مقدماتي آن انجام شده (دانشگاه پوردو)
7- نانوالياف (نانوسيمها)
نانواليافهاي کربني، جامد و توخالي با چند ميکرون طول و100 نانومتر قطر مصارفي در مواد کامپوزيت و روکشها دارند. که موجب افزايش استحکام و رسانا سازي بالقوه مواد ميشوند. در اين فناوري مايعات بار دار شده بصورت جريانهاي کوچک به درون يک ميدان الکتريکي کشيده ميشوند که بعداً بصورت الياف پليمريزه ميشوند. مواد ديگر مثل نانو ذرات و حتي نانو لوله ها را ميتوان در اين الياف جاي داد.
اين الياف بر اثر نيروهاي الکترواستاتيک، ويروسها و ديگر ذرات را به خود مي چسبانند پس در زيست فيلتراسيون براي الودگي زدايي بکار ميروند. اين الياف با فرايند سل ژل و حرارت دهي بعدي خلق مي شوند.
البسه ساخته شده از نانو الياف به عبور هر چيزي غير از مولکولهاي بسيار کوچک مقاوم اند و در پوشاک مقاوم به مواد شيميايي مورد استفاده قرار ميگيرد. همچنين توانايي آنها در اجتناب از آب، روغن به لباسهاي ضد لک مشهور خواهد شد. (کره جنوبي20 ميليون دلار به مدت9 سال سرمايه گذاري کرده است. )
