بخشی از مقاله
خواص الاستيكي نانوتيوپ‌ها
تغيير شكل نانوتيوپ‌ها ، به خصوص در نانوتيوپ‌هاي كربن تك ديواره ؛ به شدت الاستيك مي‌باشد ، الاستيك بودن يكي ديگر از خواص كاربردي بسيار مناسب نانوتيوپ‌ها به شمار مي رود .براي مثال اگر از اين مواد در ساخت يك اتومبيل استفاده شود آنگاه پس از تصادف تمامي كمانش‌ها و تاب خوردگي‌ها باز شده و ماده هيچ گونه اثري از صدمه ديدن را از خود نشان نخواهد داد . از ديگر كاربردهاي اين مواد مي‌توان به ساختمان‌هاي ضد زلزله و المان‌هايي براي ساخت پل‌ها اشاره نمود . البته مشكلات و مسايل بسياري وجود دارد كه بايد تحقيقات زيادي صورت گيرد تا بر اين مشكلات غلبه شود .
كاربرد در نانوتكنولوژي :
نانوتيوپ‌هايي كه داراي انتهاي باز باشند ميتوانند به داخل سلول نفوذ كرده و مواد شيميايي داخل آن را بررسي نمايند و يا ميتوانند به عنوان پيپت‌هايي بسيار كوچك عمل كرده و مولكولها را به داخل سلول بفرستند. مدلسازي‌هاي كامپيوتري نشان مي‌دهند كه مولكول آب مي‌تواند به سرعت وارد نانوتيوپي با قطر هشت نانومتر شده و طول آن را طي كند . بعلاوه مدلسازي‌هاي كامپيوتري
انجام شده براي تعداد ديگري از مولكولهاي آلي نشان دهنده اين نكته است كه آنها نيز ميتوانند با سرعتي معادل با سرعت آب در طول نانوتيوپ حركت نمايند . با استفاده از اين خاصيت غير عادي نانوتيوپ‌هاي كربن ، مي‌توان از آنها در كاربردهاي پزشكي مانند تزريق دارو به صورت بسيار هدفمند ، بهره گرفت .
به علت حساسيت بالاي نانوتيوپ‌ها و اندازه آنها مي‌توان از اين مواد به عنوان سنسور استفاده كرد . مقاومت الكتريكي نانوتيوپ‌هاي نيمه رسانا به شدت با تغيير محيط اطراف آنها تغيير مي‌كند كه از اين امر براي ساخت سنسورهاي حساس استفاده مي‌شود . مشكلي كه وجود دارد و بايد در كاربردها به آن توجه داشت اين است كه نانوتيوپ‌ها نسبت به بسياري از تركيبات شيميايي مانند اكسيژن و آب حساس بوده و ممكن است قادر نباشند كه يك ماده شيميايي و يا گاز را از ديگر مواد تشخيص دهند .
سوزن دستگاههاي اسكن كننده براي توسعه نانوتكنولوژي بسيار با اهميت هستند زيرا اين دستگاهها شكل سطح را مشخص مي‌كنند .بنابراين بايد سوزن آنها بسيار تيز باشد و پس از مصرف مكرر دچار سايش نگردد. امروزه نانوتيوپ‌هاي منفرد كه به تيرهاي يك سر درگير سيلي
كني متصل هستند در ميكروسكوپ‌هاي نيروي اتمي متداول استفاده مي‌شوند . نمونه‌اي از اين سوزن‌هاي ساخته شده از نانوتيوپ كربن در شكل 5-55 نشان داده شده است .
همچنين اين نانوتيوپ‌ها علاوه بر اينكه داراي ميزان تيزي بالايي مي‌باشند در مقابل خسارات مكانيكي نيز مقاوم‌اند و تصاوير با كيفيت بالايي را فراهم مي‌آورند . به عنوان مثال يك سوزن ميكروسكوپ ساخته شده از نانوتيوپ مي‌تواند مسير يك DNA را دنبال نموده و مواد شيميايي
به كار رفته را تشخيص دهد .
نانو تكنولوژي ،انسان و محيط زيست
مزاياي نانوتكنولوژي :
با توجه به مطالبي كه در فصول قبلي مورد بحث قرار گرفت ملاحظه مي‌نماييم كه نانوتكنولوژي در تمام جنبه‌هاي مختلف زندگي انسان تاثير گذار بوده و اغلب اين اثرات به صورت محسوس و غيرمحسوب قابل مطالعه ، بررسي و تحليل مي‌باشد و بطور كلي مي‌توان گفت كه زندگي اجتماعي انسان و توسعه همه جانبه آن وابستگي شديدي به موضوع نانوتكنولوژي داشته ، و اغلب اين وابستگي‌ها نتيجه اثرات مثبت و سازنده‌اي است كه نانوتكنولوژي در زمينه‌هاي مختلف زندگي انسان از جمله مسايل اقتصادي ، زيست محيطي ، پزشكي ، تغذيه ، صنايع ،منسوجات و بطور كلي سيستم‌ها و ابزار آلات و ملزومات روزمره از خود نشان داده است . نمونه‌هايي از اين اثرات مثبت در قالب كاهش مصرف مواد اوليه و هزينه‌هاي توليد ،كاهش آلودگي محيط زيست ، طراحي و ساخت وسايل و ابزارهاي دقيق در مهندسي پزشكي ، رساندن دز مناسب دارو به سلولهاي بيمار ، تقويت و تعديل مواد مناسب در تغذيه روزمره ، افزايش كارآيي و عمر قطعات صنعتي و بهبود كيفيت و تنوع كارآيي مواد و منسوجات مورد نياز زندگي انسان و هزاران مورد ديگر را مي‌توان نام برد . در اين خصوص در فصول قبلي در زمينه مزاياي نانوتكنولوژي مباحثي مطرح و مسايل بيشتري در كتب و مقالات منتشر شده توسط ديگر نويسندگان ] 5-1[ بيان شده است كه اهم آنها به شرح ذيل است .
ذرات نانومتري ميتوانند به راحتي وارد سلول‌ها شوند ، بر اين اساس داروهاي جديدي را نيز مي‌توان توليد نمود .
جالب‌ترين كاربردي كه اين مواد در زمينه محيط زيست و همچنين در زمينه انرژي دارند ، پيل‌هاي سوختي مي‌باشد كه كاربردهاي صنعتي زيادي دارند . از جمله تحقيقاتي كه در حال انجام است مي‌توان به تحقيقات در زمينه بكارگيري نانوتيوپ‌هاي كربن به عنوان ذخيره كننده هيدروژن در اين پيلها اشاره نمود . اين پيلها قادر خواهند بود تا حتي اتومبيل‌ها را نيز به حركت در آورند در حالي كه تنها ماده خروجي اين گونه اتومبيل‌ها آب مي باشد. شماتيكي از اين پيلها در شكل 6-1 نشان داده شده است .
مهندسي سطح در ساخت پيل‌هاي سوختي يك امر بسيار مهم بوده ، كه در آن خواص سطح خارجي و ساختار حفره‌ها تاثير زيادي بر روي كارايي آنها دارند . در اين پيلها هيدروژن به
عنوان سوخت اصلي به كار برده مي‌شود و مي‌توان آن را از هيدروكربن‌ها و با استفاده از بهينه سازي توسط كاتاليزر كه عموماً در داخل يك راكتور كه به صورت مستقيم به پيل سوختي متصل است ، توليد نمود . استفاده از صفحات و سطوح ساخته شده موجب خواهد شد تا فرآيندهاي كاتاليزري بكار رفته بهبود يافته وبازده افزايش يابد ، بگونه‌اي كه بتوان پيل‌هاي سوختي با اندازه‌هاي كوچكتر را توليد نمود . اين پيلها ميتوانند به عنوان منابع انرژي الكتريكي به طور وسيعي بكار گرفته شوند.
در نهايت نيز مي‌توان هيدروژن را از مواد غير از هيدروكربن‌شها تهيه كرد كه اين امر موضوع تحقيقات روز مي‌باشد .
امروزه از نانوتكنولوژي براي ساخت مكمل‌هاي سوختي نيز استفاده مي‌شود به عنوان مثال در زمينه افزودن ذرات نانومتري اكسيد سديم به سوخت ديزل براي صرفه جويي بيشتر در سوخت با استفاده از كاهش مصرف سوخت در طي زمان ، تحقياتي در دست انجام است .
كاربرد ديگر مواد نانومتري ، ساخت دستگاههاي توليد كننده انرژي الكتريكي بوسيله انرژي نوري است . هدف نهايي در اين زمينه توليد سلولهاي خورشيدي با كارايي بالا ، ارزان و در صورت امكان انعطاف پذير ، از پلاستيك‌ها مي‌باشد . پيش بيني مي‌شود كه اين تكنولوژي در سال 2020 جايگاه مطلوبي را بدست آورد . در اين زمينه يكي از راهكارهاي ارائه شده مشابه سازي و تقليد از سيستم هاي زيستي مي‌باشد اين امر مي‌تواند موجب افزايش نيروگاه‌هاي خورشيدي و به تبع آن كاهش نيروگاه‌هاي با سوخت فسيلي گردد كه اين امر خود تاثير فراواني در كاهش آلودگي محيط زيست خواهد داشت . نمونه‌اي از صفحات سلول خورشيدي در شكل 6-2 نشان داده شده است .
از ديگر كاربردهاي نانوتكنولوژي مي‌توان به موارد زير اشاره كرد :
استفاده از نانوكامپوزيت‌ها به عنوان يك ماده پوشش دهنده در اتومبيل‌ها كه ميتوانند به عنوان جايگزين مناسبي براي پوشش‌هاي پايه كروم فعلي به كار برده شود .
توليد سنسورهاي تشخيص دهنده آلودگي با دقت بالا و سرعتي تا 100 برابر سنسورهاي موجود كه قادرند وجود مواد شيميايي را تاحد نانوليتر در پس آب‌ها تشخيص دهند .
استفاده از نانوكامپوزيت‌هاي پايه خاك رس بجاي بكار بردن فلز و آلومينيوم در پانل‌هاي اتومبيل مي‌تواند باعث كاهش مصرف سوخت شده و در نتيجه آلاينده‌ها را كاهش خواهد داد .
نانوتكنولوژي موجب افزايش توليدات كشاورزي شده و امكان فيلتر كردن آب و جداسازي نمك از آن را به صورت اقتصادي‌تر فراهم خواهد آورد ، نياز به مواد كمياب و در نتيجه آلودگي ناشي از فرايند توليد اين مواد را كاهش مي‌دهد .
پيش بيني مي‌شود كه در 10 تا 15 سال آينده پيشرفت‌هاي ناشي از نانوتكنولوژي در زمينه لوازم توليد نور مي‌تواند مصرف انرژي در جهان را تا 10% كاهش دهد كه اين امر به معني كاهش 100 ميليارد دلاري در هزينه‌هاي توليد انرژي و نيز كاهش توليد كربن تا 200 ميليون تن در سال مي‌باشد
.
مطابق گزارش‌هاي ارائه شده تخمين زده مي‌شود كه حدود 20% انرژي مصرفي صرف روشنايي مي‌گردد. نقاط كوانتومي فسفر كه با استفاده از نانوتكنولوژي توليد مي‌شوند امكان توليد ديودهاي نوري با روشنايي بيشتر را به صورت اقتصادي تر فراهم مي‌سازند . ديودهاي نوري توليد شده با اين روش تا سال 2025 ميتوانند انرژي لازم براي روشنايي را تا بيش از 50% كاهش دهند . اين مقدار دو برابر بهينه‌تر از استفاده از ديودهاي نوري فلورسان متداول مي باشد .
مقايسه بين ديودهاي ساخته شده بوسيله نانوتكنولوژي و ديودهاي معمولي را مي‌توان در شكل 6-3 انجام داد .
ميزان انرژي كه بدين وسيله صرفه جويي مي‌شود تقريباً برابر انرژي است كه پنجاه راكتور اتمي در طي يك سال توليد مي‌كنند .
شايد بتوان جالب‌ترين بخش از نانوتكنولوژي را خودآرايي دانست كه در آن مولكولها در كنار يكديگر قرار گرفته و به صورت خودكار شروع به ساخت قطعه مورد نظر مي‌كنند . در صورتي كه از اين روش براي ساخت قطعات استفاده شود ديگر نيازي به احداث كارخانه‌هاي بزرگ كه انرژي زيادي را مصرف مي‌كنند و همچنين آلودگي زيادي نيز دارند نخواهند بود . در اين زمينه مهمترين تهديد، اين است كه نتوان فرآيند توليد را كنترل نمود كه در اين صورت ذرات به شكل گسترده‌اي به خود آرايي ادامه مي‌دهند و حالتي بسيار نامطلوب پيش مي آيد كه به آن "لجن خاكستري " گفته مي‌شود .
يكي از مواردي كه نانوتكنولوژي بسيار مورد توجه قرار گرفته است ، تكنولوژي سبز مي‌باشد كه آلودگي‌ها و انتشار مواد مضر توليدي را به حداقل مي‌رساند . در حالت ايد‌ه آل ، نانوتكنولوژي حفاظت از طبيعت را به ميزان زيادي با ايجاد روشي براي كاهش مواد سمي شيميايي به صورت اقتصادي ، افزايش مي‌دهد . از جمله اين مواد مي‌توان به سموم تجمع كننده زيستي پايدار ، آلوده‌كننده‌هاي خطرناك هوا و تركيبات آلي فعال اشاره كرد .
مواد نانو در ساخت سنسورها هم از اهميت ويژه‌اي برخوردار مي‌باشد .
محافظت از سلامت انسان و اكوسيستم ،نياز به در اختيار داشتن سنسورهاي دقيقي مي‌باشد كه بتوانند آلودگي را در حد مولكولي تشخيص دهند . در صورت در اختيار داشتن سنسورهايي با دقت بالاتر و و نيز قيمت كمتر و حساس‌تر مي‌توان بهبود بالايي در كنترل پروسه ، مونيتور كردن اكوسيستم و تصميم گيري در زمينه‌هاي محيط زيست بدست آورد . امروزه دستگاههاي تشخيصي كه بتوانند اطلاعات را به صورت همزمان ارايه كنند و يا قادر باشند تا آلودگي در حد مولكولي را نيز تشخيص دهند به طور عمده مورد توجه مي‌باشند .
در خصوص نمونه‌هايي از كاربرد نانوتكنولوژي در محيط زيست مي‌توان به مواردي از قبيل نانوسنسورها اشاره كرد كه قادرند تا آلودگي‌ها و نيز عوامل بيماري زاي خاص در محيط را تشخيص دهند. اين سنسورها قادرند تا اندازه‌گيري‌هايي را به صورت پيوسته در منطقه وسيعي انجام دهند و نيز به تراشه‌هاي نانو متصل شوند و به صورت پيوسته و همزمان به عمل نمايش دادن بپردازند .
از ديگر زمينه‌هاي مهم ، ساخت سنسورهايي است كه بتوان از آنها در نمايش دادن و مانيتور كردن و يا كنترل فرآيند براي رديابي آلودگي و يا كمينه كردن ميزان آلودگي و تاثير آن بر محيط استفاده كرد .
ازجمله سنسورهايي كه امروزه بر روي آنها كار شده و تحقيقات بر روي آنها همچنان ادامه دارد مي‌توان به سنسورهاي تشخيص آلودگي ناشي از مواد آلي در هوا و آب ، ديوكسين ، PAH و مواد بيماري‌زاي زيستي اشاره كرد . از ديگر كاربردها مي‌توان به مونيتور كردن كيفيت آب و بررسي نحوه اندركنش آلودگي‌هاي موجود در محيط مانند آيروسول‌ها و ذرات كوچك يا سطوح ذرات اشاره كرد .
به عنوان مثال دانشمندان در پردو اولين تراشه زيستي پروتيين را ساخته‌اند كه داراي گروه‌هاي عملگر پروتييني بسيار خاصي مي‌باشند و قادرند تا كوچكترين ميزان تجمع ماده هدف را نيز تشخيص دهند . نمونه‌اي از ميكروتراشه‌هاي ساخته شده توسط نانوتكنولوژي در شكل 6-4 نشان داده شده است .
بعلاوه از ذرات نانو در ساخت كاتاليزرها جهت كاهش دماي مورد نياز واكنش نيز مي‌توان استفا
ده كرد . از جمله ديگر مزاياي نانوتكنولوژي ، مي‌توان به كاهش نياز به فلزات نجيب ، در استفاده به عنوان كاتاليزر جهت كاهش آلودگي هوا اشاره نمود .
در شكل 6-5 يك شماتيك از هيدروژنيزه كردن پروپن بر روي اكسيد منگنز تقويت شده با Ir4 نشان داده شده است . ابتدا پروپن به خوشه‌‌ها پيوند مي‌خورد و سپس هيدروژنيزه شده و 1- پروپي
ل و يا 2- پروپيل را توليد خواهد كرد كه پس از هيدروژنيزه شدن و پروپان توليد مي‌كنند .
در شكل 6-6 نيز نموداري نشان داده شده است كه در آن چگونگي از بين رفتن تمام كربن‌هاي آلي با استفاده از ذرات نانومتري نشان داده شده و با روش سوناليز مقايسه شده است .
از ديگر موادي كه توسط نانوتكنولوژي توليد مي‌شوند ، نانوكامپوزيت‌ها هستند نانوكامپوزيت‌ها نيز موادي هستند كه اثرات قابل ملاحظه‌اي در محيط زيست از خود نشان مي‌دهند . برخي از كاربردهاي موثر در صنايع و محيط اين گونه مواد به شرح ذيل است :
همانگونه كه قبلاً نيز بيان شد ميزان واكنش پذيري ذرات نانومتري بسيار بيشتر از ذرات معمولي است ،لذا در صورتي كه اين ذرات سمي باشند ميزان سميت آنها بسيار بالاتر از ميزاني است كه مواد معمولي از خود نشان مي دهند .
بايد توجه داشت كه به دليل خواص ويژه ذرات نانومتري و نيز محدوديت‌هايي كه از لحاظ اندازه‌گيري وجود دارد ، تعيين سميت اين مواد با پيچيدگي‌هايي همراه است . از جمله مشكلاتي كه در زمينه تعيين ميزان سميت ذرات نانومتري وجود دارد مي‌توان به موارد زير اشاره كرد :
1- پوشش سطح ذرات
2- مواردي كه موجب اختلاف در پاسخ ريه به اين ذرات مي‌شوند .
3- پتانسيل تجمع و يا پراكنده شدن ذرات نانومتري .
4- ذرات نانومتري به صورت بخار در مقايسه با ذراتي كه نشست پيدا كرده‌اند .
5- بار سطحي .
راههاي ورود ذرات نانومتري به بدن :
مواد نانومتري ميتوانند به روشهاي زير وارد جريان خون شده و در بدن پخش شوند :
• به روش تماسي و از طريق پوست .
• به روش استنشاق و از راه بيني .
• ورود و جذب از طريق چشم .
• ورود و جذب از طريق شش‌ها.
• ورود به دستگاه گوارش .
نمونه‌هايي از اثرات سوء ذرات نانومتري بر سلامتي انسان را مي‌توان به صورت زير خلاصه نمود:
• جلوگيري از توليد آنزيم در بدن .
• توليد راديكال‌هاي آزاد .
• واكنش‌هاي شيميايي .
• فشار به مغز .
• مسموميت .
نانوتكنولوژي قادر است تا ضايعات راكاهش دهد . اين كار با استفاده از ساخت كاتاليس‌هاي جديد و بهينه شده در محدوده اتمي براي مصارف صنعتي ،ساخت مولكولهاي جديد ، خود آرايي و.... انجام مي‌گيرد .
از نانوتكنولوژي همچنين مي‌توان براي مديريت ضايعات و كاهش آنها استفاده كرد . براي مثال مي‌توان به تكنولوژي اطلاعات در ابعاد نانومتري اشاره كرد كه با بكارگيري آن مي توان محصول را تشخيص داده و آن را رديابي كرد تا بتوان فرآيندهاي بازيافت ، بازسازي و عمر مصرف را پيش بيني و كنترل نمود .
ازجمله مثالهايي كه مي‌توان براي كاربرد نانوتكنولوژي دركاهش آلودگي مطرح نمود ، فرايند ساختي است كه مي‌تواند در دما و فشار محدود، با استفاده از كاتاليزورهاي غير سمي با كمترين توليد آلوده‌كننده‌ها ، و با استفاده از واكنش هاي پايه آبي ، يا حذف حلال‌ها بدست آورد .براي نمونه مي‌توان به ساخت ذرات فلزي به قطر 5/1 نانومتر اشاره نمود كه در آن با استفاده از مونتاژ اين ذرات كوچك فلزي بر روي صفحه پليمري تراشه‌هاي الكترونيكي ساخته شده اند كه اين روش مي‌تواند جايگزين مناسبي براي روشهاي فعلي كه در آنها از مواد شيميايي كه به طبيعت آسيب مي‌رسانند ،باشد بعلاوه تك لايه‌هايي كه با استفاده از خود آرايي توليد شده‌اند و در آنها يك لايه از گروه فعال با يك فلز سنگين وارد واكنش شده و بر روي يك سطح متخلخل نشست داده مي‌شود . قادر است تا جيوه را از مايعات آبي و آلي جدا كند .
نانوتكنولوژي مي‌تواند بوسيله راههاي زير به كاهش آلودگي در محيط زيست كمك كند :
• كاهش مصرف مواد اوليه
• كاهش ضايعات
• كاهش مواد منتشر شده
• كاهش توليد مواد سمي
• انجام فرآيند ساخت در دما و فشار عادي
• استفاده از كاتاليزرهاي غير سمي با كمترين ميزان توليد مواد آلوده كننده
• بكار گيري واكنش‌هاي پايه آبي
• ساخت سريع مولكولهاي مفيد و مورد نياز
• بكارگيري در تشخيص نوع ماده محصول و دنبال كردن آن براي مديريت بازيافت و تعيين زمان تعويض حلال‌ها .
جلوگيري از آلودگي خود به معني " كاهش استفاده از منابع اوليه " و يا هر گونه منبع ديگري كه موجب آلودگي مي‌باشد با استفاده از بالا بردن بهره‌وري در استفاده از مواد اوليه انرژي ، آب و ديگر منابع و يا محافظت از منابع با استفاده از حفظ آنها مي‌باشد .
از آنجا كه كاهش آلودگي ، به معني جايگزين كردن مواد سمي در فرايند و همچنين توليد مواد سازگار با طبيعت و محصولات قابل بازگشت مي‌باشد .
كاربرد نانوتكنولوژي در كاهش آلودگي محيط زيست را مي توان به دو صورت بيان نمود :
1- استفاده از نانوتكنولوژي در راستاي تبديل يك فرايند توليدي به صورت سازگار با طبيعت .
2- نانوتكنولوژي خود مي‌تواند به صورت يك فرآيند سازگار با طبيعت عمل نموده و جايگزين روشها و فرآيندهاي توليد كننده مواد اوليه و يا مواد سمي شود .
از نانوتكنولوژي براي برطرف كردن سموم نيز مي‌توان استفاده نمود . در اين زمينه از ذرات نانومتري دو فلزي براي رفع آلودگي آب هاي موجود در داخل زمين استفاده شده است . نشان داده شده است كه ذرات نانومتري آهن ميتوانند تا 96% آلودگي ناشي از تري كلرواتيلن را در آب زيرزميني در مركز صنعتي را از بين ببرند .
اين ذرات از آهن و پالاديوم (و چند فلز ديگر ) ساخته شده‌اند . ديده شده است كه اين مواد
براي طيف گسترده‌اي از آلودگي‌هاش ناشي از مواد كلروهيدروكربن به خوبي جواب داده و آلودگي ناشي از آنها را تا حدي زيادي كاهش مي‌دهد .
از تكنولوژي بكار گيري فلز آهن براي رفع آلودگي آب‌هاي زيرزميني مدت زيادي است كه استفاده مي‌شود . در اينجا آهن به عنوان يك الكترون دهنده عمل نموده و باعث كاهش آلودگي‌هاي محيطي (آلي و معدني ) مي‌شود براي مثال تري كلرواتيلن (TCE) مي‌تواند توسط آهن به اتان تبديل شود :
