نانو تکنولوژی

نانو تکنولوژی

در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می‌توان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می‌دهند، شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژة اتم را که به معنی تقسیم‌نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد.

با تحقیقات و آزمایش‌های بسیار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زیادی ایزوتوپ کشف کرده‌اند. آنها همچنین پی برده اند که اتم‌ها از ذرات کوچکتری مانند کوارک‌ها و لپتون‌ها تشکیل شده‌اند.

نانو تکنولوژی

نانو تکنولوژی

در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می‌توان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می‌دهند، شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژة اتم را که به معنی تقسیم‌نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد.

با تحقیقات و آزمایش‌های بسیار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زیادی ایزوتوپ کشف کرده‌اند. آنها همچنین پی برده اند که اتم‌ها از ذرات کوچکتری مانند کوارک‌ها و لپتون‌ها تشکیل شده‌اند.

نانوذراتِ سیلیس

نانوذراتِ سیلیس

مقدمه:

نانوذرات به علت کاربردهای متعدد در صنایع مختلفی مانند صنایع آرایشی ـ بهداشتی، صنایع اُپتیکی و الکترونیکی، مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته‌اند.

دانشمندان در دههﻫﺎی گذشته نیز با فناوری تولید نانوذرات آشنا بودند، اما از آنجا که ابزارهای آزمایشگاهی لازم هنوز اختراع نشده بود، نمی‌توانستند به اقدامات عملی در این زمینه دست بزنند. در دهة 1990، محققانی که ذرات میکرومتری را تهیه ﻣﻲکردند، در گزارش توزیع اندازة ذرات آزمایش‌شده، به وجود ذرات نانومتری نیز اشاره نموده‌اند.

سؤال جالب این است که دانشمندانِ یادشده، در چه شرایطی و با چه ابزاری ذرات نانومتری را سنتز کرده‌اند. شما در کتابﻫﺎی شیمی خود با مفاهیم «هیدرولیز» (هیدرولیز واکنشی است که در محیط آبی منجر به یونیزاسیون ماده ﻣﻲشود) و «پلیمراسیون» آشنا شده‌اید. این دو فرآیند وقتی با هم صورت می‌گیرند، فرآیند ترکیبی جدیدی را ایجاد می‌کنند که «روش سُل ـ ‌ژِل» نامیده می‌شود. این روش مدتﻫﺎی طولانی برای تولید سرامیکﻫﺎی غیرآلی و شیشه‌ای مورد استفاده قرار ﻣﻲگرفت و تا اواسط دهة 90 همچنان روشی مقرون به صرفه به نظر ﻣﻲرسید. از آن به بعد دانشمندان مختلف توانستند این نانوذرات را از روشﻫﺎی گوناگون تهیه کنند. بنابراین، دیگر این روش اقتصادی به نظر ﻧﻤﻲرسید. از آنجا که بسیاری از دانشمندان توانستند نانوذرات سیلیس را از منابع طبیعی تهیه کنند، از آن پس دیگر نیازی به استفاده از این روش با موادّ اولیة گران‌قیمت نبود.

نانوپوششها

نانوپوششها

1. پوشش چیست؟

مقدمه

بشر همواره بلندپرواز بوده است. همیشه رؤیاهای بزرگی در سرها بوده‌اند که باید بیرون می‌آمدند و عینیت می‌یافتند. اما طی این مسیر ــ یعنی بیرون کشیدن رؤیاهای دور و دراز از ذهن‌ها ــ با دشواری‌های بسیار همراه است. گرچه بسیاری از این رؤیاهای پیشینیان در زمان‌های بعد و به‌ویژه زمان ما به حقیقت پیوستند، اما بسیاری از صاحبان آرزو بسیار بسیار پیش از این چشم از جهان فرو بستند. برای تحقق این آرزوها باید مسیری بلند در زمان به‌تدریج پیموده می‌شد. کشف آتش، کشف مواد مقاوم مثل آهن (که اول‌بار از شهاب‌سنگ‌هایی که از فضا به زمین برخورد کرده بودند استخراج شد)، کشف چرخ، برق، موتور بخار و... باید روی می‌داد تا مثلاً اختراع اتومبیل و هواپیما واقعیت ‌یابد.

یکی از مهمترین عوامل محدودکنندة انسان در تمام قرون برای رسیدن به آرزوهایش، پیدا نکردن مواد مناسبی بوده است که خواص مورد نظر را داشته باشند. مثلاً بشر پس از ساخت آسانسور و استفاده از آن در ساختمان‌های مرتفع، به این فکر می‌کرد که چگونه آسانسوری بسازد که با آن به فضا برود! اما یکی از مشکلات ــ به‌جز تولید طنابی به این درازی و موتوری پرقدرت برای کشیدن محفظة آسانسور بین دو سیاره ــ این بود که تمام مواد مکشوفه تا آن زمان، قدرت تحمل وزن خود را در فاصلة بین دو سیاره نداشتند. اما امروزه با استفاده از فناوری‌های پیشرفته مواد جدیدی تولید یا مواد موجود تقویت شده‌اند که می‌توانند وزن خود را در فاصلة بین دو سیاره تحمل کنند!

خوب، اینکه در بالا گفتیم یعنی چه؟ بشر برای ساخت آسانسورهای فضایی به‌تازگی نانولوله‌های کربنی‌ای را ساخته است که مقاومت زیادی در برابر کشیده شدن و پاره شدن دارند (حدود 7 برابر فولاد) و این در حالی است که بسیار سبکتر از مواد محکم فعلی هستند.

برای درک مفهوم دوم (بهبود یا تقویت خواص مواد موجود) به مثال زیر توجه کنید:

تصور کنید یک روز صبح که از خواب بیدار می‌شوید یک نفر پوست صورتتان را کنده باشد! برای اطمینان، احتمالاً تشریف می‌برید جلو آینه، و... آن صحنة دلخراش را به چشم خود می‌بینید! فکر نمی‌کنم دیگر ادامة زندگی با آن وضع برایتان ممکن باشد. شما به یک لولوی تمام‌عیار تبدیل شده‌اید که علاوه بر بچه‌های کوچک، خودتان هم از وحشت جیغ می‌کشید. برای رفع مشکل چه می‌کنید؟ خوب، اولین کار این است که فریاد بکشید و با یک وسیله مثل باند تمام بدنتان را بپوشانید. این‌طوری لااقل میکروب‌ها و عوامل عفونت‌زا کمتر به بدنتان نفود می‌کنند. چون پوست به عنوان پوششی برای بافت‌های داخلی بدن در مقابل محیط بیرون عمل می‌کند (شکل 1). اما این کافی نیست. شما نمی‌توانید به خوبیِ گذشته از عهدة کارهای روزمره‌تان برآیید. چون باند پوشش مناسبی برای صورت شما نیست و تنها می‌تواند به عنوان یک پوشش موقت به کار رود تا اینکه سراغ یک جراح پلاستیک ماهر بروید و یک فکر اساسی بکنید. (البته دیگر کار از کار گذشته!)

شکل 1 ـ تصویری از یک پوشش چندلایة باند زخم که جایگزین پوست بدن شده است.

تمام مواد و محصولات مورد استفادة ما هم نیاز به پوشش دارند، چون نباید در طی مراحل تولید، بستهبندی، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در موقع مصرف، خواص و ویژگی‌های خود را از دست بدهند. البته گاهی هم برای بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی از فناوری پوشش‌دهی استفاده می‌کنیم.

نانوحسگرهای زیستی

نانوحسگرهای زیستی

در پزشکی و علوم بالینی برای تشخیص بیماری‌ها و پیگیری درمان آنها ضروری است از وضعیت گونه‌های مختلف مورد نظر در داخل بدن اطلاعات کمّی و کیفی داشته باشیم. روش تشخیص موجود که در آزمایشگاه‌های کلینیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، نمونه‌برداری (از خون، ادرار و...) است. این روش نمونه‌برداری و تجزیه و تحلیل، لحظه‌ای محسوب می‌شود و مسائل و مشکلات خاص خود را نیز به همراه دارد، زیرا در بسیاری از موارد، نیاز داریم از روند تغییرات غلظتِ گونة مورد نظر با گذشت زمان اطلاع داشته باشیم. 

نمونه‌برداری لحظه‌ای به معنی گزارش غلظتِ گونة مورد نظر در نمونه در یک زمان معین و ثابت است.

حسگرهای زیستی

با ظهور حسگرها و ورود آنها به عرصة تجزیة گونه‌های بیوشیمیایی، راهکار دیگری برای کنترل کیفیت درمان بیماران فراهم شد. این حسگرها که به طور الکتروشیمیایی کار می‌کنند و هنوز هم کاربردهای بسیاری دارند، به لحاظ ابعاد نسبتاً بزرگی که دارند عموماً در سنجش‌های خارج از بدن مورد استفاده قرار می‌گیرند و در اندازه‌گیری میزان چربی و رطوبت پوست، میزان تعریق بدن و... به کار می‌روند. با پیشرفت علوم و فناوری، بشر موفق به ساخت میکروحسگرهای زیستی شد. از این ابزار در واکنش‌های بیوشیمیایی انجام‌شده در سطح الکترود و ثبت میزان جریان یا دنبال کردن تغییرات پتانسیل بهره‌گیری می‌شود و این عوامل به غلظتِ گونة مورد نظر ارتباط داده می‌شوند. به عنوان نمونه‌ای از کارهای انجام‌شده در این سطح، می‌توان به سنجش میزان اپی‌نفرین توسط سلول آدرنال اشاره کرد که تصویر میکروسکوپی آن در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل دو الکترود رشتة کربنی را ملاحظه می‌کنیم که در مجاورت سلولِ مجزائی از غدة فوق کلیوی واقع شده است. همان‌طور که می‌دانیم، فعالیت ماهیچه‌های انسان این غده را تحریک می‌کند و در نتیجه هورمون اپی‌نفرین ترشح می‌شود. این هورمون که «آدرنالین» نیز نامیده می‌شود، قند را از سلول‌های ماهیچه‌ای آزاد می‌کند. همچنین اپی‌نفرین فشار خون را بالا می‌برد و بر ضربان قلب می‌افزاید که فاکتورهای مهمی از نظر کلینیکی محسوب می‌شوند. بنابراین، اندازه‌گیری میزان آزادسازی اپی‌نفرین توسط سلول آدرنال که به طریق الکتروشیمیایی فوق و با استفاده از میکروحسگر نشان داده شده است، می‌تواند بسیار سودمند باشد.

شکل 1: تصویری از دو الکترود رشتة کربنی که در مجاورت سلول آدرنال قرار گرفته‌اند
(هورمون اپی نفرین آزاد شده از این سلول به روش الکتروشیمیایی مورد اندازه گیری قرار می گیرد)

نانوحسگرهای زیستی

با ورود علوم و فناوری نانو و فراهم شدن امکان ساخت الکترودهایی در مقیاس بسیار کوچک، ساخت حسگرهای نانومتری نیز میسر شد. این حسگرها به لحاظ دارا بودن سایز نانومتری و کاربردشان در محیط‌های زیستی، نانوبیوسنسور (نانوحسگر زیستی) نامگذاری شدند. نانوحسگرهای زیستی الکترودهای بسیار کوچکی در اندازة نانومتری و ابعاد سلولی هستند که از طریق تثبیت آنزیم‌های خاصی روی سطح آنها، نسبت به تشخیص گونه‌های شیمیایی یا بیولوژیک مورد نظر در سلول‌ها حساس شده‌اند. از این حسگرها برای آشکارسازی و تعیین مقدار گونه‌ها در سیستم‌های بیولوژیک استفاده می‌شود. این تکنیک، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی ملکول‌ها از دیواره یا غشای سلولی است.

در طی دهة گذشته، با پیشرفت فناوری ساخت فیبر نوری و ساخت نانوفیبرها، در پژوهش‌های پزشکی و بیولوژیک نیز تحول عظیمی صورت گرفته و فناوری ساخت حسگرهای زیستی و دانش تولید نانومتریِ این ابزارها روزبه‌روز گسترش یافته است. این حسگرها به لحاظ استفاده از فیبر نوری در ساختارشان «حسگرهای نوری» نامیده شده‌اند و به دو دستة شیمیایی و بیولوژیکی تقسیم می‌شوند. بسته به اینکه بخواهیم این حسگر را برای تجزیة گونة داخل سلول، مایع بیولوژیک بین سلولی یا داخل خون به کار ببریم، ابعاد نوک حسگر، زاویة مخروطی شدن نوک آن و میزان نرمی پوشش روی فیبر متفاوت خواهد بود.

تولید نانوحسگرهای زیستی نوری

برای تهیة این فیبر به عنوان نوک حسگر، می‌توانیم از دستگاه‌های مورد استفاده برای کشش فیبرهای نوری استفاده نماییم (شکل 2).

شکل 2: الف ـ شیوة کشیدن فیبر برای ساخت نانوفیبرها از نمای بالا
ب ـ نمای جانبی از یک فیبر کشیده‌شده

در این دستگاه از لیزر دی‌اکسید کربن برای گرم کردن فیبر و از وسیله‌ای برای کشش فیبر در جهت محور اصلی آن استفاده می‌شود. محققان موفق شده‌اند با تغییر دما و میزان نیروی کششیِ اعمال‌شده به فیبر، نوک‌هایی برای حسگرهای زیستی بسازند که قطرشان بین 20 تا 500 نانومتر است (شکل 3). این تکنیک سرعت بالا (حدود 3 ثانیه) و روند تولید نسبتاً ساده‌ای دارد.

شکل3 ـ تصویر یک نانوفیبر تولیدشده به شیوة کشش لیزری

کاربرد حسگرهای زیستی

کاوشگر حسگرهای ساخته‌شده به این روش، می‌تواند بدون آسیب رساندن به غشای سلولی، به آن وارد شود و برای مطالعات بیوملکولی و بالینی مورد استفاده قرار گیرد (شکل 4). به طور کلی، مجموعة یک نانوحسگر زیستی، از یک ملکول گیرندة زیستی (مثل DNA یا پادتن) تشکیل شده که بر روی یک فیبر بسیار نازک نشانده شده است. از این مجموعه می‌توان به عنوان یک کاوشگر برای وارد کردن گونة خاصی به سلول استفاده کرد و با به‌کارگیری روش‌های متداولِ آمپرومتری به تجزیة گونه‌ها در داخل سلول پرداخت.

روش آمپرومتری یکی از روش‌های الکتروشیمیایی است که در آن حداقل یکی از گونه‌های اولیه یا محصولات واکنش در سطح میکروالکترود اکسیده ــ یا کاهیده می‌شود.

شکل 4 ـ عبور نوک حسگر از غشای سلولی

شایان ذکر است قبل از استفاده از فیبر به عنوان نوک حسگر، ایجاد یک پوشش بسیار نازک حدود 200 نانومتری بر روی فیبر، می‌تواند عملکرد نوری آن را به میزان بسیاری بهبود بخشد. همچنین به منظور ایجاد سایت‌های فعال بر روی نوک حسگر برای اتصال پادتن از فرایند سیلان‌دار کردن سطح فیبر استفاده می‌شود و به دنبال آن پادتن مورد نظر را از طریق پیوندهای کوالانسی به سطح فیبر متصل می‌کنند.

سیلان و فرایند سیلان‌دار کردن سیلیس(Si) یکی از عناصری است که در طبیعت به وفور یافت می‌شود و بخش عمده‌ای‌ از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. این عنصر در گروه چهارم جدول تناوبی واقع شده است و از این رو می تواند با ایجاد چهار پیوند کوالانسی، ترکیبی به صورت SiH4 به نام سیلان را ایجاد نماید. از این ملکول ترکیبات مختلفی به دست می‌آید که از آن جمله می‌توان به تری «متیل کلرو سیلان» اشاره کرد. این ملکول می تواند طی یک واکنش حذفی با از دست دادن یک ملکول HCl به ملکولهای دیگر بچسبد و بدین صورت خواص سطحی آنها را تغییر دهد. برای مثال اگر یک زنجیر غیرقطبی کربنی در ملکول فوق داشته باشیم، با پیوند زدن آن به سطح یک نانوحسگر می‌توانیم نانوحسگر را نسبت به جذب ترکیبات غیرقطبی فعال کنیم.

لازم به ذکر است در فرایند سیلان‌دار کردن، از ترکیبات مختلف سیلیس استفاده می‌شود و به کمک آنها سطح مورد نظر را با یک گروه عاملی شیمیایی مناسب پیوند می‌زنند. حُسن کار در این است که امکان پیوند پادتن با گروه عاملی نشانده‌شده در سطح میسر می‌شود. ابزارهای ساخته‌شده به این روش، دارای قدرت انتخابگری بالایی هستند و «کاوشگرهای آنزیمی» نام گرفته‌اند. از این کاوشگرها در تعیین روزمرة گلوگز، لاکتوز، ساکاروز، گالاکتوز و کلسترول استفاده می‌شود، بدون اینکه از بیمار نمونه‌گیری خون صورت گیرد.

این تکنیک سودمند، استفاده‌های فراوان دیگری نیز دارد که از آن جمله می‌توان به مطالعة اثر داروها و چگونگی برهمکنش آنها با سلول‌ها و مطالعة چگونگی اثر پاتوژن‌ها (عوامل بیماری‌زا) بر سلول‌ها، و مطالعة سیستم‌های زیستی اشاره کرد. همچنین میزان غلظت داروها در خون در زمان‌های مختلف پس از مصرف و سرعت رسیدن به غلظت مادة مؤثر به حداکثر مقدار، از جمله فاکتورهایی هستند که در داروسازی و پزشکی اهمیت بسیاری دارند و نانوحسگرهای زیستی ابزاری سودمند و کارآمد در این زمینه محسوب می‌شوند.

نظر به اهمیت نانوحسگرهای زیستی در گسترش دانش پزشکی، از آن به عنوان فناوری دستیابی به اطلاعات زیستی سلول با استفاده از تجهیزات نانومتری (Nano-Bio-Info-Tech) یاد شده است. از جملة این پژوهش‌ها می‌توان به کار تیمی Vo-Dinhs در سال 2004 در شناسایی، تشخیص و درمان سلول‌های سرطانی اشاره کرد.