نانو تكنولوژي

[mahdi.adelinasab]

نانوکامپوزيت‌هاي ديرسوز

نانوکامپوزيت‌هاي ديرسوز

با توجه به اين که امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي هر جامعه‌اي را پليمرهايي تشکيل مي‌دهند که به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. بر همين اساس، در کشورهاي صنعتي، تلاش گسترده‌اي براي ساخت موادي با ايمني بيشتر در برابر شعله آغاز شده است و در اين زمينه نتايج مطلوبي هم به دست آمده است.
بر همين اساس و با توجه به تدوين استانداردهاي جديد ايمني، به نظر مي‌رسد استانداردهاي ساخت مربوط به پليمرهاي مورد استفاده در خودروسازي، صنايع الکترونيک،‌ صنايع نظامي و تجهيزات حفاظتي و حتي لوازم خانگي، در حال تغيير به سوي مواد ديرسوز است.
از طرف ديگر مدتي است که نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس به عنوان موادي با خواص مناسب مثل تأخير در شعله‌‌‌‌‌‌وري، توجه بسياري از محققان را به خود جلب کرده است. بنابراين به‌‌‌‌‌‌نظر مي‌رسد که نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس مي‌توانند جايگزين مناسبي براي مواد پليمري معمولي باشند؛
براي تهيه پليمرهاي ديرسوز، علاوه بر رفتار آتش‌گيري، عوامل زيادي بايد مورد توجه واقع شوند؛ از جمله اينکه:
از افزودني‌هايي استفاده شود که قيمت تمام‌‌‌‌‌‌شده محصول را خيلي افزايش ندهد. (مواد افزودني بايد ارزان قيمت باشند.)
مواد افزودني به پليمرها بايد به آساني با پليمر فرآيند شود.
مواد افزوده‌شده به پليمر نبايد در خواص كاربردي پليمر تغيير قابل ملاحظه ايجاد كند.
زباله‌هاي اين مواد نبايد مشکلات زيست‌‌‌‌‌‌محيطي ايجاد کند.
با توجه به اين موارد، خاک‌‌‌‌‌‌رس از جمله بهترين مواد افزودني به پليمرها محسوب مي‌شود که مي‌تواند آتش‌گيري آنها را به تأخير بيندازد و سبب ايمني بيشتر وسايل و لوازم ‌شود. مزيت ديگر خاک‌ رس فراواني آن است که استفاده از اين منبع خدادادي را آسان مي‌کند.
ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس
خواص مکانيکي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر-نايلون6 که از نظر حجمي فقط حاوي پنج درصد سيليکات است، بهبود فوق‌العاده‌‌‌‌‌‌اي را نسبت به نايلون خالص از خود نشان مي‌دهد. مقاومت کششي اين نانوکامپوزيت 40 درصد بيشتر، مدول کششي آن 68 درصد بيشتر، انعطاف‌پذيري آن 60 درصد بيشتر و مدول انعطاف آن 126 درصد بيشتر از پليمر اصلي است. دماي تغيير شکل گرمايي آن نيز از 65 درجه سانتي‌‌‌‌‌‌گراد به 152 درجه سانتي‌‌‌‌‌‌گراد افزايش يافته است. در حاليکه در برابر همة اين تغييرات مناسب، فقط 10درصد از مقاومت ضربه آن کاسته شده است.
نتايج تحقيقات حاكي از آن است كه ميزان آتشگيري در اين نانو كامپوزيت پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص كاهش نشان مي‌‌‌‌‌‌دهد و اين در حالي است كه اغلب خواص كاربردي پليمر نيز تقويت مي‌‌‌‌‌‌شود. البته كاهش در ميزان آتشگيري پليمرها از قديم مورد بررسي بوده است. بشر با تركيب مواد افزودني به پليمر ميزان آتشگيري آنرا كاهش داد ولي متاسفانه خواص كاربردي پليمر هم متناسب با آن كاهش مي‌‌‌‌‌‌يافته است. در واقع كاهش در آتشگيري همزمان با بهبود خواص كاربري پليمرها ويژگي منحصر به فرد فناوري نانو است، خصوصاً اينكه تنها با افزودن 6 درصد ماده افزودني به پليمر تا 70 درصد آتشگيري آن كاهش مي‌‌‌‌‌‌يابد.
برخي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس پايداري حرارتي بيشتري از خود نشان مي‌دهند که اهميت ويژه‌اي براي بهبود مقاومت در برابر آتش‌‌‌‌‌‌گيري دارد. اين مواد همچنين نفوذپذيري کمتري در برابر گاز و مقاومت بيشتري در برابر حلال‌ها از خود نشان مي‌دهند.
استانداردسازي؛ ابزار قدرت در دست کشورهاي پيشروي صنعتي
تطابق با استانداردهاي جديد موضوعي است که همواره کشورهاي پيشرو بر کشورهاي پيرو ديکته کرده‌اند. در کشورهاي پيشرو صنعتي،‌ استانداردها همواره رو به بهبود است. در اين کشورها براساس جديدترين نتايج تحقيقات و مطالعات متخصصان، هر چند وقت يکبار، استانداردها دستخوش تغيير مي‌شوند و ديگر کشورها ناچار خواهند بود در مراودات تجاري خود با آنها اين استانداردها را رعايت کنند و به اين ترتيب، مجبور مي‌شوند که نتايج تحقيقات آنها را خريداري کنند. مطلب زير مثالي از اين موارد است:
چندي پيش در جرايد اعلام شد که بنا بر تصميم جديد اتحاديه اروپا، هواپيماهايي که مجهز به سيستم جديد ناوبري (مطابق با استاندارد جديد پرواز)‌ نباشند، اجازه پرواز بر فراز آسمان اروپا را ندارند. در آن زمان در کشور ما فقط تعداد معدودي از هواپيماهاي مجهز به اين سيستم وجود داشت. اخيراً هم اتحاديه مزبور اعلام کرده است که ورود کاميون‌هاي فاقد استاندارد زيست‌‌‌‌‌‌محيطي به خاک اروپا ممنوع است. در پي اين اعلام، خودروسازان ايراني به ناچار استانداردهاي خود را با شرايط جديد تطبيق دادند.

 

[پیرجو]

بعضی ها دیگه زدن داخل پلیمر.....!

 

[mahdi.adelinasab]

باز هم نانو و دنیای نانویی ها....

باز هم نانو و دنیای نانویی ها....

استفاده از نانولوله‌های کربنی حساس به رامان در ولکانیزاسیون لاستیک طبیعی

این مقاله روشی برای سنتز ترکیبات لاستیک طبیعی (NR) است كه به صورت پراکنده دارای اتصالات عرضی و نانولوله‌های کربنی است. واکنش نمونه‌های لاستیک طبیعی به تغییرات به عنوان تابعی از میزان گوگرد استفاده شده برای اتصالات عرضی، بر مبنای چگالی عددی اتصالات عرضی در نتیجه فرایند ولکانش است.
طیف‌بینی رامان برای تشخیص انتقال عدد موج *D مربوط به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره (SWNT) و میزان گوگرد مصرفی به کار می‌رود. مقایسه نتایج اندازه‌گیری‌های مکانیکی و اندازه‌گیری‌های طیف‌بینی رامان نشان می‌دهد که نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره به عنوان حسگر‌های رامان به تراکم اتصالات عرضی در لاستیک طبیعی حساس هستند و می‌توانند برای ارزیابی فرایند تشکیل اتصالات عرضی مواد لاستیکی مورد استفاده قرار بگیرند.
در حال حاضر کاربرد نانولوله‌ها در تقویت پلیمرها باعث بهبود خواص گرمایی و الکتریکی می‌شود. اگر چه ساخت کامپوزیت‌های لاستیکی همراه با نانولوله کربنی تک‌دیواره هنوز با موانع فنی متعددی روبه‌روست که باید حل شود؛ در میان اینها یکی از اصلی‌ترین مسائل مورد توجه پراکندگی نانولوله‌های کربنی است.
امواج صوتی یکی از روش‌های پراکندگی مؤثر است. اگر چه امواج صوتی برای مدت طولانی و با قدرت زیاد دارای آثار تخریبی است، یكی از روش‌های پراكندگی مؤثر است. با وجود این می‌توان از یک سطح بهینه از امواج صوتی (SONICATION) استفاده کرد. از موانع دیگر می‌توان به گران بودن نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره اشاره کرد که البته ممكن است بهسازی خصیصه مکانیکی ترکیب ارزش این هزینه كردن را نداشته باشد.
نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره ارزش استفاده در برخی کاربرد‌ها نظیر حسگر کششی رامان، مواد انباره هیدروژن و ترکیبات خازنی سطح بالا را دارند. طیف‌بینی رامان برای اثبات وجود نانولوله‌های کربنی، تعیین قطر نانولوله‌ها، توزیع قطری بسته‌های نانولوله مورد استفاده قرار می‌گیرد. نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره طیف رامان متمایزی دارند. در این آزمایش بی‌نظمی پیک *D رامان تهییج شده مربوط به نانولوله‌های کربنی که در محدوده ۲۵۰۰ تا۲۷۰۰ Cm-۱ قرار دارد، مورد بررسی قرار می‌گیرد.
از نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره می‌توان به عنوان حسگر فشار استفاده کرد.
پیک *D برای تشخیص کشش و انتقال در پلیمر‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد و به وسیله طیف‌بینی رامان تعیین کمیت می‌شود. این نوع از کاربرد تنها به میزان کمی از نانولوله‌های کربنی کمتر از ۵/۰درصد وزنی نیاز دارد و حساسیت اندازه‌گیری می‌تواند در مقیاس بزرگ ماکرو و میزان مولکولی باشد. نانولوله‌های کربنی همچنین می‌توانند در الاستومرها برای سنجش فشار‌های بینابینی مورد استفاده قرار گیرند. ویژگی‌های یک الاستومر ویژه با ماهیت اتصالات عرضی در شبکه مشخص می‌شود. در حالی که هنوز گوگرد به مراتب مؤثرترین عامل ولکانش است افزودن میزان کمی از تسریع‌کننده‌ها نه فقط فرایند‌ها را تسریع می‌کند، بلکه کمیت و نوع اتصالات عرضی شکل گرفته در ولکانش را نیز تعیین می‌کند.
مطالعات مختلف در مورد اثر ساختار‌های اتصالا ت عرضی در ولکانش لاستیک با استفاده از گوگرد برای چندین دهه مورد بررسی قرار گرفته است. دانسیته تراکم اتصالات عرضی عامل مهمی است که بر ویژگی‌های فیزیکی شبکه الاستومری ولکانیزه شده تأثیر می‌گذارد. دانسیته تراکم یک شبکه اساساً به تعداد زنجیره‌ها، وزن مولکولی و نسبت گوگرد به شتاب‌دهنده بستگی دارد. چندین روش برای ارزیابی تراکم اتصالات عرضی وجود دارد. متورم کردن به وسیله یک حلال ارگانیک یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای توصیف شبکه‌های الاستومر است.
اندازه گیری‌های تنش-کرنش یکی از روش‌های غیر مستقیم برای اندازه‌گیری میزان تراکم اتصالات عرضی است. هدف اصلی این روش ساخت کامپوزیت (SWNT/NR) ومقایسه ویژگی‌های مکانیکی کامپوزیت و لاستیک طبیعی خالص است. بعد از آن امکان استفاده از نانوحسگرهای رامان برای توصیف شرایط ایجادلاستیک طبیعی با استفاده از میزان‌های مختلفی از گوگرد بررسی می‌شود. داده‌های تنش-کرنش تک‌محوری برای تحلیل تراکم اتصالات عرضی الاستومرهای ولکانیزه شده استفاده می‌شود و سپس از آن با نتیجه تحلیل رامان مقایسه می‌شود.

● روش تجربی

▪ ترکیبات لاستیک طبیعی و کامپوزیت

در دمای اتاق و در حلال تولوئن تهیه می‌شود. مخلوط لاستیک طبیعی و تولوئن ابتدا تحت تأثیر امواج صوتی قرار می‌گیرد تا لاستیک طبیعی كاملاً حل شود. نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در تولوئن را امواج صوتی پخش می‌كنند. محلول نانولوله‌های کربنی /تولوئن به همراه اکسید روی و استئاریک اسید وسیکلو هگزیل بنزو تیازول سولفونامید (CBS) به محلول لاستیک طبیعی /تولوئن اضافه شده و تحت تأثیر امواج صوتی قرار می‌گیرد تا به‌صورت محلو ل همگن درآید، سپس محلول حاصل به ۱۵ قسمت مساوی تقسیم می‌شود و مقادیر مختلف گوگرد از صفر تا ۶۰ میلی گرم به این قسمت‌ها اضافه می‌شود.
تمام محلول‌ها به خوبی تکان داده می‌شوند تا زمانی که گوگرد به خوبی در محلول پراکنده شود، پس از آن برای مدت یک شبانه‌روز در زیر هود باقی می‌ماند. بعد از تبخیر کامل تولوئن نمونه‌های کامپوزیت در زیر پرس گرم در دمای۱۶۰ درجه سانتیگراد برای مدت زمان ۱۵ دقیقه تحت فشار ۵۰۰ كیلو پاسكال قرار گرفته و فیلم نازکی از کامپوزیت با ضخامتی حدود ۳/۰ میلی‌متر به دست می‌آید. نمونه‌های لاستیک طبیعی نیز طبق روش بالا به طور دقیق و بدون افزودن نانولوله‌های کربنی آماده می‌شود. تمام نمونه‌ها به‌صورت نوار‌های باریکی با عرض چهار میلی متر و طول ۱۵ میلی متر و ضخامت ۳/۰میلی‌متر برای تست کشش برش داده می‌شوند. خصوصیات مکانیکی نمونه‌های لاستیک طبیعی و نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در دمای اتاق را دستگاه مکانیکی دینامیک آنالیزی در حالت استاتیک و با سرعت تخریب شش میلی متر بر دقیقه اندازه‌گیری میكند و در پایان سه نمونه برای هر مورد آماده و مورد آزمایش قرارمی گیرد. منحنی تنش-کرنش و مدول کشسانی مطابق با نسبت ۵۰ درصد افزایش طول به حالت اولیه برای نمونه‌ها، مورد محاسبه قرار می‌گیرد. در این آزمایش نور لیزر ۷۸۵ نانومتر به عنوان نقطه نورانی بر سطح نمونه به ضخامت دو میكرو متر تابیده می‌شود.

● نتایج و بررسی

با وجود این که ۲۵/۰ درصد وزنی از شبکه لاستیک طبیعی ، در این آزمایش را نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره تشکیل می‌دهند، ضخامت کم نانولوله‌های کربنی تک دیواره در سیستم باعث افزایش تعداد نانولوله‌ها در سیستم می‌شود. تمام نمونه‌های کامپوزیت نسبت به نمونه‌های لاستیک طبیعی رنگ تیره‌تری دارند. در ابتدای مطالعه، حضور نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره باعث تغییر در خصوصیات مکانیکی لاستیک طبیعی می‌شود. با وجود جهت‌یابی تصادفی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در فیلم به دست آمده، جهت‌یابی نمونه نوارها در اندازه‌گیری‌های مکانیکی هیچ گونه تفاوتی در نتایج به دست نمی‌دهد.

 

[mahdi.adelinasab]

ادامه----->

ادامه----->

▪ نتایج تست‌های مکانیکی

منحنی‌های تنش کرنش برای لاستیک طبیعی و کامپوزیت در شکل (۱) نشان داده شده است. هردو نمونه لاستیک طبیعی و کامپوزیت بیش از ۱۲۰۰ درصد ازدیاد طول را نشان می‌دهند. به‌دلیل پایداری نانولوله‌های کربنی از لحاظ شیمیایی، بر هم کنش بین نانولوله‌های کربنی و مولکول‌های لاستیک به صورت در هم پیچیده و بدون ایجاد پیوند انجام می‌شود. با توجه به محدوده تغییر شکل گوسین (Gaussian) برای مولکول‌های لاستیک طبیعی این برهم‌کنش‌ها به صورت پایدار و وابسته به تغییر شکل هستند. شکل (۱) منحنی تنش-کرنش برای لاستیک خالص و کامپوزیت و شکل درگیری نانولوله‌های کربنی با زنجیره لاستیک را نشان می‌دهد.
نسبت ابعاد بزرگ نانولوله‌های کربنی ایجاد زنجیره‌های مولکولی بزرگی در کامپوزیت ایجاد می‌كند. که باعث ایجاد درهم پیچیدگی و اتصالات عرضی فیزیکی در شبکه مولکولی کامپوزیت در مقایسه با لاستیک طبیعی می‌شود. در نتیجه ولکانیزاسیون نمونه کامپوزیت که دارای اتصالات عرضی فیزیکی بیشتری نسبت به نمونه لاستیک طبیعی است به طور اختصار در شکل (۱) نشان داده شده است. اگر چه هنوز هیچ مدرکی دال بر واکنش شیمیایی بین نانولوله های كربنی تك دیواره و شبکه لاستیک طبیعی وجود ندارد.
خصوصیات فیزیکی و شیمیایی اتصالات عرضی حلقه، نقش مهمی در شروع واکنش تخریب دارد و نمونه‌های كامپوزیت مدول بالاتری نسبت به لاستیك طبیعی دارند. وقتی که سرعت تخریب افزایش می‌یابد، بعضی از اتصالات عرضی با قرار گرفتن زنجیره پلیمری بر روی نانولوله‌های کربنی از بین می‌روند. شکل (۱) ناحیهB این موضوع را نشان می‌دهد. شکل (۲) میزان نسبت کشیدگی برای نمونه‌های لاستیک طبیعی و کامپوزیت س در برابر غلظت‌های مختلف گوگرد را نشان می‌دهد.

▪ تحلیل ولکانش از طریق طیف‌بینی رامان

پس از کشف نانولوله‌های کربنی تک دیواره طیف‌بینی رامان برای توصیف حد واسط‌های پلیمر/نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره استفاده شده است. سیگنال رامان در سیستم پلیمر نسبت به فقط یک اثر نقطه‌ای در اطراف خود نانولوله‌ها یک اثر میانگین ایجاد می‌کند. وضعیت در نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در مواجهه با فشار و کشیدگی، یک انتقال طیفی بزرگ را نشان می‌دهد. در برخی از شبکه‌های پلیمری، پیک *D مربوط به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره ، یک انتقال رو به پایین تقریباً خطی را با کشش‌های تک‌محوری کشسان در هنگام تشکیل پلیمر نشان می‌دهد.
پس از تشکیل محصول، هیچ تغییری در طیف رامان که نشان‌دهنده انتقال مؤثر فشار از شبکه به نانولوله است، مشاهده نمی‌شود. به هر حال نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره به عنوان حسگرهایی برای پی بردن به انتقالات پلیمری به‌وسیله طیف‌بینی رامان، بر مبنای این واقعیت که برخی از انتقالات پلیمری به انواع ویژه ای از جنس در پلیمر‌ها بستگی دارد، استفاده شده است. شکل (۳) طیف‌های رامان مربوط به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و کامپوزیت بزرگنمایی شده مربوط به پیک را نشان می‌دهد.
موقعیت پیک *D در نانو لوله های تك دیواره اندازه‌گیری شده و به عنوان تابعی از مقدار گوگرد اضافه شده به شبکه لاستیك طبیعی، در شکل (۴) نشان داده شده است. با توجه به پراکندگی کمی در داده‌ها به‌ویژه در محدوده میانگین میزان گوگرد، این پراکندگی ممکن است از منابع زیر باشد:

▪ تجانس نداشتن شبکه کشسان طبیعی؛

▪ ناخالصی در ترکیب شبکه لاستیک که می‌تواند اساساً مربوط به عوامل شتاب‌دهنده مثل اکسید روی، اسید استئاریک وباقی‌مانده در سیستم باشد؛

▪ نبود تجانس بین نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره مثل تفاوت ضخامتSWNT، و فرم دسته‌ها.

شکل(۴a) تفاوت عدد موج پیک *D مربوط به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره در شبکه لاستیک طبیعی در برابر مقدار گوگرد اضافه شده در طول واکنش ولکانیزاسیون را نشان می‌دهد. بنا براین نانولوله‌های حسگر رامان قادرند که تغییرات مربوط به اتصالات عرضی را در جریان فرایند ولکانش در لاستیک طبیعی به دست آورند.

● نتیجه‌گیری

نتایج آزمایش‌های مکانیکی برای کامپوزیت برای لاستیک خالص روند یکسانی را نشان می‌دهد. در این آزمایش افزایش ۲۵/۰ درصد وزنی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره باعث افزایش مدول کشسانی کامپوزیت به میزان ۲۰ درصد در شرایط ولکانیزاسیون یکسان و بدون از دست دادن خاصیت الاستیک نسبت به لاستیک طبیعی خالص خواهد شد. اگر چه استحکام و کشیدگی تغییری نمی‌یابد؛ رابطه بین جابه‌جایی عدد موج *D درنانولوله‌های کربنی تک‌دیواره و میزان گوگرد اضافه شده به وسیله طیف‌بینی رامان برای کامپوزیت به دست آمده است. افزایش درجه ولکانش به وسیله افزایش مقدار گوگرد، باعث جابه‌جایی پیک *D مربوط به نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره خواهد شد.
مشاهدات نشان می‌دهد که حسگر‌های نانولوله به تراکم اتصالات عرضی لاستیک طبیعی حساس هستند و می‌توانند در ارزیابی فرایند ولکانش لاستیک استفاده شوند. از این روش می‌توان با استفاده از طیف‌بینی رامان برای تعیین میزان تشکیل اتصالات عرضی در مواد کشسان دیگر نیز استفاده کرد. برهم‌کنش‌های قوی‌ترین نانولوله‌ها و لاستیک طبیعی ، اثر مهمی بر کشش‌های بزرگ‌تر می‌گذارد. زمانی که پیکربندی زنجیری غیر گوسیان وجود داشته باشد، کار‌های تکمیلی با نانولوله‌های اصلاح سطحی شده، برای مقایسه با نتایج نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره معمولی به‌منظور تعیین کمیت تأثیر افت نانولوله‌ها و عوامل محدود کننده در افت نانولوله‌ها، مورد نیاز است

 

[mahdi.adelinasab]

نانو فیزیك

نانو فیزیك

اصولاً اتصالات نیم رسانا - فلز جزو لازمه تمامی قطعات الکترونیکی اند. چگونگی و رفتار اتصالات الکتریکی به غلظت سطح نیم رسانا (Si)، تمیزی سطح و واکنش های بین فصل مشترک فلز - نیم رسانا بستگی دارد. بعد از ابداع ترانزیستور توسط جان باردین، مفهوم و اهمیت مدارهای مجتمع روشن شد. پس از آن موفقیت بزرگ تجمع و اتصال تعداد بسیار زیادی از قطعات کوچک و اجزای الکترونیکی بر سطح زیر لایه تحول عظیمی در ساخت عملی مدارهای مجتمع بوجود آورد. با ابداع و رشد فناوری مینیاتور کردن قطعات الکترونیکی بشر به یکی از مهمترین دستاوردهای خود در قرن گذشته نائل آمد.

● سیر تکاملی و رشد:
با گسترش، طراحی و ساخت مدارهای مجتمع به ویژه افزایش انباشت قطعات در مقیاس خیلی بزرگ در دهه ۱۹۸۰ تلاش برای کوچکتر کردن قطعات میکرو الکترونیکی ادامه یافت. از طرف دیگر تقاضای جدید برای ساخت مدارهای مجتمع به ویژه مدارهای حافظه شامل حافظه دینامیکی (DRAM) و حافظه استاتیکی (SRAM) با ویژگی هایی نظیر سرعت عمل بالا توأم با کاهش اتلاف توان روزبه روز بیشتر شد. در روند تکاملی فناوری فرامینیاتور کردن قطعات الکترونیکی بویژه در هندسه و مقیاس زیر میکرونی کمتر از ۰.۲ میکرو متر یعنی حوزه فناوری طراحی قطعات نانو الکترونی و فناوری ساخت مدارهای مجتمع از پیچیدگی خاصی برخوردار است. بطور متوسط در هر شش سال ابعاد و اندازه قطعات الکترونیکی به نصف تقلیل یافته است. امروزه با استفاده از مزیت های مجتمع سازی کوچکی قطعات، بطور مشخص فناوری نانو الکترونیک ساختار این گونه مدارهای مجتمع گسترده تر و پیچیده تر است. بطوری که این مدارها از ده ها میلیون ترانزیستور، دیود، مقاومت الکتریکی و خازن تشکیل شده است. عرض خطوط اتصالات بین قطعات مختلف در سال ۲۰۰۰ میلادی ۰.۱۸ میکرومتر بود، که کاهش آن همچنان ادامه دارد. در راستای پیشرفت این فناوری، در همین سال مجموع فروش مدارهای مجتمع در دنیا حدود ۱۵۰ میلیارد دلار بر آورد شده است. به این دلیل پیچیدگی و ویژگیهای خاص مدارهای مجتمع با ساختار نانومتری بکار گیری مواد جدید و ‏فرآیند های بهتر تولید و همچنین استفاده روشهای دقیقتر ساخت.

● مشخصه یابی لایه نازک قطعات الکترونیکی:
مشخصه یابی لایه نازک قطعات مختلف امری الزامی است. بعضی از فرایندهای مهم ساخت مدارهای مجتمع عبارت اند از:

▪ نفوذ کاشت یونی

▪ لیتوگرافی

▪ فلز نشانی

▪ غیر فعال سازی و غیره
که در فناوری نانو الکترونیک برای انجام این گونه فرآیند ها باید از پارامترها و سیستمهای خاص استفاده کرد. مثلاً در فرایند فلز نشانی استفاده از فلز مس به جای فلز رایج آلومینیوم برای اتصالات درونی بین قطعات مختلف عملی اجتناب ناپذیر است. اما نفوذ سریع اتمهای Cu در زیر Si در عملیات حرارتی منجر به تشکیل لایه سلیساید مس و در نهایت سبب تخریب قطعه الکترونیکی می شود. برای رفع این مشکل معمولاً از یک لایه میانی از مواد دیرگذار مانند Ta و w یا Mo به عنوان سد نفوذی برای بهبود پایداری حرارتی لایه Cu / Si استفاده می کنند.

● ساخت و مشخصه یابی سیستم های چند لایه ای:
مشخصه یابی سیستم های چند لایه ای Cu / Ta /Si اخیراً مورد مطالعه قرار گرفته است. در این زمینه تاثیر ولتاژ بایاس منفی بر بهبود خواص الکتریکی و ساختاری سد نفوذی لایه اسپاترنیگ Ta در سیستم Ta/Si گزارش شده است. همچنین در فناوری طراحی قطعات نانو الکترونی با استفاده ار میکروسکوب نیروی اتمی (AFM) و ساخت لایه های نازک مورد نیاز در مدارهای مجتمع مذکور فقط در محیط های تعریف شده توسط روش های دقیق لایه نشانی نظیر لایه نشانی با باریکه مولکولی (MBE) و لایه نشانی با بخار شیمیایی مواد آلی فلزی (MOCVD) امکان پذیر است.

● وسعت فناوری نانو الکترونیک:
در فناوری نانو الکترونیک فرایندهایی سطح زیر لایه Si از جمله سوزش توسط فناوری پلاسما و باریکه یونی صورت می گیرد. این گونه مدارهای مجتمع با ویژگی های منحصر به فرد خود در مقیاس نانومتری کاربردهای متنوعی از سیستم های مزوسکوپیک دارند. بعضی از این کاربردها عبارت اند از:

▪ ساخت نقطه ها و سیستم های کوانتومی تونل زنی در دیودهای تشدید کننده مثل Si و Gi

▪ طراحی و ساخت تقویت کننده های لیزری مثل InGap

▪ طراحی و ساخت میکرو احساسگرها و ماشین های میکرونی برای کاربردهای خاص
به دلیل اهمیت فناوری نانو الکترونیک در سه سال گذشته چندین کارگاه عملی در زمینه های مختلف فیزیک و فناوری نانو الکتریک برگزار شده است. با ادامه رشد و گسترش این فناوری پیشرفته، در آینده شاهد تحول عظیمی در زمینه های ارتباطات خواهیم بود.

 

[mahdi.adelinasab]

نانو تریبولوژی و ساخت نانو روانکارها

نانو تریبولوژی و ساخت نانو روانکارها

اگر اتومبیلی خریداری کرده اید که در طول مدت۱۰ سال نیاز به تعویض روغن و یا گریس کاری نداشته، در این اتومبیل از روغن و گریسی استفاده شده که از مواد نانو ساخته شده است. اصلی ترین وظیفه نانو روانکاران کاهش اصطکاک و خوردگی قطعات همراه با دوام و کارایی بیشتر است. ورود این مواد به بازار مصرفی تغییرات بسیار زیادی را در این صنعت بوجود خواهد آورد. واژه تریبولوژی از ریشه کلمه یونانی "تریبو" به معنی سایش و "لوژی" به معنی دانش است. کاربرد اولیه این علم در یونان باستان، شناخت عوامل حمل سنگهای بزرگ بر روی سطح زمین و بهبود آنها بوده است. امروزه این علم شامل مطالعه در مورد نیروی اصطکاک، فرسایش و استفاده از روانکارهای جدید برای کاهش این دو اثر است. در قرن گذشته تحقیقات گسترده ای برای بدست آوردن روانکارهای بادوام انجام شده که در نهایت منجر به استفاده از مواد افزودنی به روغنها به منظور ارتقای کیفیت آنها شده است. هدف نهایی تحقیقات در این زمینه به دست آوردن روانکارهایی است که هیچگاه نیاز به تعویض و یا ترمیم نداشته باشند. حاصل این تلاش شناسایی روانکارهایی متشکل از ذرات بسیار مواد آلی غیر اورگانیکی است. تحقیقات در این زمینه نشان می دهد اگر اندازه این مواد از۱۰۰ نانومتر کمتر شود، ساختار بسیار متفاوتی را پیدا خواهند کرد. محصول بدست آمده نانولوبها (Nanolubricants) نامیده می شوند. ذرات کروی یا نانوتیوبها که ساختار اصلی نانولوبها را تشکیل می دهند، در زمان فعالیت،‌مانند میلیونها ساچمه مینیاتوری بین سطوح متحرک لغزیده و منجر به کاهش نیروی اصطکاک، دما و ارتقای کارایی ماشین آلات می شوند. این ذرات می توانند به کوچکترین منافذ قطعات نفوذ کرده و عمل روانکاری را بهبود بخشند. کاربرد این نوع از روانکارها در سطوح ناصاف به مراتب بهتر از روانکارهای فعلی است به همین دلیل تولید کنندگان با استفاده از آنها نیاز کمتری به ماشین کاری، صرف وقت و هزینه برای ساخت قطعات ماشین آلات خواهند داشت که این عامل، منجر به صرفه جویی در مواد و هزینه می شود. نانو روانکارها که در دو گروه جامد و مایع به بازار عرضه خواهند شد باعث کاهش نیروی اصطکاک و در نتیجه نیروی مصرفی و سوخت ماشین آلات می شوند. همچنین این مواد به عنوان مواد افزودنی برای روانکارها یا بصورت ترکیب با مواد دیگر و یا به تنهایی می توانند مورد استفاده قرار گیرند. تطابق بهتر با محیط زیست در مقایسه با روانکارهای متداول امروزی یکی دیگر از مزایایی بسیار خوب نانو روانکارهاست. آزمایش های متعددی که توسط آزمایشگاههای مختلف فارماکولوژی در آمریکا و اروپا انجام شده سازگار بودن این گروه از روانکار را با محیط زیست تایید کرده است. این مواد به هیچ عنوان سمی نیستند و موجب آلودگیِ آب، خاک وهوا نخواهند شد. نانوتریبولوژی در فناوری های پیشرفته جدید مانند هموار ساختن سطوح دیسک های حافظه کامپیوتر برای افزایش کیفیت ذخیره اطلاعات و کاهش نیروی اصطکاک و انرژی مصرفی و جلوگیری از خوردگی قطعات نقش مهمی ایفا می کند. در صنایع سنتی مانند اتومبیل و هواپیما، هدف از جایگزین کردن نانو روانکارها بجای انواع مختلف روانکارهای در حال مصرف مانند روغن و یا گریس، بی نیازی به تعویض روغن، چسبندگی بهتر به قطعات به صورت فیلم های تک لایه ای، تحمل فشار مکانیکی بسیار زیاد و دمای کارکرد بیشتر است. حتی از آنها می توان در سطوح بیرونی کشتی و یا هواپیما برای کم کردن نیروی اصطکاک ایجاد شده توسط آب و یا هوا استفاده کرد. در حال حاضر شرکت های متعددی مشغول تحقیقات در مورد نسل جدید روانکارها هستند. یک گروه محقق توانسته است محصول جدیدی با ساختار چندین شبکه از لایه های فیلم بر روی هم که دارای حفره های خالی (برای انعطاف پذیری بیشتر) است را بسازد. عملکرد محصول جدیدبه صورت حرکت قطعات بر روی تعداد بیشماری از لایه های ساخته شده از نانو بلبرینگ های سخت است. این شرکت محصول جدید خود را بنام نانو لوب، Nanolub نامیده است. مدیر این سازمان معتقد است که این روانکار می تواند جایگزین انواع روانکارهای متداول امروزی با۶ تا۱۰ برابر بازدهی بهترباشد. ساختار این بلبرینگها از دی سولفید تنگستن،‌ WS۲ است. در این ساختار لایه های لغزنده بر روی یکدیگر باعث کم شدن اصطکاک و منافذ خالی باعث انعطاف پذیری بیشتر روانکار می شوند. با استفاده از این مواد، روانکار می تواند فشار و ضربات مکانیکی بسیار شدیدی را تحمل کرده و به صورت ذرات کروی سخت در سطوح ناصاف دندانه دار میان قطعات متحرک حرکت کند. علاوه بر آن، این مواد برخلاف روانکارهای معمولی می توانند در داخل خلل و فرج سطوح ناصاف نفوذ کرده و یک لایه نرم در حد یک مولکول را به وجود آورند. برخی از شرکت های تولیدی برای ساخت نانو روانکارها از ساختار نانو تیوب های کربنی استفاده کرده اند ولی مشخص شده که در طول زمان و با وجود نیروی اصطکاک، مواد بکار برد شده متلاشی و تجزیه می شوند. هم اکنون تحقیق در مورد بهینه سازی این مواد ادامه دارد. یکی از سازمان های تحقیقاتی بنام NIST در حال بررسی روش اختلاط مولکولهای مختلف به صورت یک فیلم تک لایه ای است. این تحقیق از روش ادغام مولکولها (حداکثر تا۴ عدد)، که هر یک خاصیت ویژه ای مانند مقاومت در برابر سایش و خود ترمیمی دارند،‌ استفاده کرده است که در مجموع، یک نانو روانکار دارای قابلیت های یکایک ساختارهای ملکولها خواهد شد. برای مثال در یک ترکیب ملکولی چهارتایی، گروه اول مولکولها دارای خاصیت چسبندگی بسیارعالی به سطوح، گروه دوم بوجود آورنده یک فیلم روانکار بسیار مقاوم، گروه سوم محافظ در مقابل ضربات سخت و گروه چهارم حرکت در کلیه سطوح برای از بین بردن نیروی اصطکاک است. امروزه دستگاههای بسیاری برای اندازه گیری نیروی اصطکاک، کیفیت روانکارها و میزان سایش قطعات به صورت سنتی وجود دارد. این دستگاهها که تریبومیتر نام دارند، دارای روشهای مختلفی در عملکرد خود هستند مانند حرکت یک میله،‌یک کره و یا یک صفحه برروی صفحه دیگر و نظایر آن. اندازه گیری پارامترهای فیزیکی و شیمیایی روانکارها در مقیاس نانو دارای پیچیدگی بسیار زیاد بوده و بسهولت انجام نمی گیرد. برای این منظور استفاده از وسایل جدیدی مانند میکروسکپهای نیروی اتمی،
(Atomic force microscope) که به اختصار AFM نام دارند،‌ ضروریست. این وسیله می تواند در مقیاس و ابعاد نانو، عملکردهای متفاوتی شامل مشاهده سه بعدی خوردگی، ترک خوردگی یک سطح، اندازه گیری قطر ذرات جامد و یا مایع روانکارها، سنجش ضخامت فیلم روانکارها در حد تک لایه، محاسبه نیروی اصطکاک، بدست آوردن اشکال سطوح و ناهمواری آنها، اندازه گیری سختی سطوح و قابلیت ارتجاع و تغییر در ابعاد نانو را داشته باشد. مزایای دیگر این دستگاه عبارتست از: قابلیت کاربرد آن برای کلیه مواد، شامل: سرامیک ها، فلزات، پولیمرها- نیمه هادی ها و مغناطیسها،‌ نور، موارد بصری و عناصر بیولوژیکی در اتمسفر و خلاء.شرکت "ApNano Material"، تولید کننده انواع محصولات نانو و اولین سازنده نانولوبها (یک نوع روغن سنتتیک غیرآلی) است. نانولوبهای ساخته شده کنونی که در حال حاضر در مقیاس آزمایشگاهی تولید می شوند، غیرسمی و سازگار با محیط زیست هستند که کیفیت و عملکرد بسیار خوب آنها توسط کارخانه های اتومبیل سازی جهان به تایید رسیده است. همچنین این مواد می توانند بجای ادتیوها برای بهبود کیفیت روغن های موتور، دنده و هیدرولیک استفاده شوند. مهمترین مزیت این محصولات کاهش مصرف سوخت و گازهای زیان آور موتور است. استفاده از نانولوبها در آزمایشگاههای تحقیقاتی علوم پزشکی نیز بسیار مورد توجه قرار گرفته است. به تازگی شرکت اتومبیل سازی فولکس واگن برای ساخت روانکارهایی با کیفیت بالا که در صنایع هوایی و صنایع برودتی کاربرد دارند، توانسته است با شرکت ApNano Material و یک شرکت دیگرآمریکایی با نام Hatco Corporation یک قرارداد مشارکتی منعقد کند. تولید انبوه تا سه سال آینده با درآمد سالیانه بیش از۱۰۰ میلیون دلار شروع خواهد شد. درآمد حاصل از فروش ادتیوها سالانه در حدود یک میلیارد دلار برای تمامی تولیدکنندگان بوده و با استفاده از مواد نانو می توانند آن را به۳۷ میلیارد دلار افزایش دهند.با توجه به موارد اشاره شده، ساخت نانو روانکارها نیازمند هماهنگی بسیاری از صنایع تولید کننده، ‌سازندگان مواد افزودنی و مصرف کنندگان است. شرکت هایی که بخواهند این نوع روانکار را تولید کنند با مشکل عمده ای روبرو هستند و آن صرفه اقتصادی در سرمایه گذاری اولیه است. اگر این روانکارها در ماشین آلات ریخته شوند دیگر تعویض نشده و خرید آنها فقط یکبار بیشتر نیست و پس از اشباع بازار دیگر خریداری برایش وجود نخواهد داشت. این نوع روانکارها برای مصرف کنندگان بسیار ایده ال است ولی آیا برای تولید کنندگان روانکار نیز همین گونه است؟ توقع دیدن این محصولات را به این زودی در مغازه ها نداشته باشید زیرا برای ساخت۷۵۰ گرم آن در یک واحد بزرگ تولیدی، یک روز کامل فرایند مورد نیاز است.

 

[mahdi.adelinasab]

كاربرد نانو ذرات به عنوان افزودنی به روانكارها

كاربرد نانو ذرات به عنوان افزودنی به روانكارها

روانكاری یا Lubrication علم تسهیل حركت نسبی سطوح در تماس با یكدیگر تعریف شده است. عدم روانكاری صحیح ماشین آلات، علاوه بر آنكه باعث تقلیل راندمان مكانیكی و پایین آمدن بازده زمانی ماشین می شود، منتج به فرسایش بیش از حد، فرسودگی و از كار افتادگی زودرس آنها نیز می شود.در گذشته برای روانكاری از روغن های پایه استفاده می شد، ولی امروزه با به وجود آمدن موتورهای سبك و تندرو، استفاده از روغن های پایه جوابگوی نیاز دستگاهها نیست.به همین منظور و برای ساخت یك روغن كه بتواند مشخصات لازم را بر حسب عملكرد مورد نظر، داشته باشد، روغن پایه و مواد افزودنی با یكدیگر مخلوط می شود تا بتوان شرایط لازم برای كار موتور و همچنین محافظت از موتور را به وجود آورد.

▪ افزودنی ها برحسب كاركردشان انواع مختلفی دارند كه برخی از آنها عبارتند از:
ـ افزودنی ضد اصطكاك،
ـ ضد سایش،
ـ ضد اكسیدكنندگی،
ـ پاك كننده،
ـ پراكنده كننده و غیره.
در زیر به بررسی روان كنندهW۵۲ كه هم به صورت مستقیم به عنوان روان كننده استفاده می شود و هم به صورت افزودنی به سایر روان كننده ها و به منظور جلوگیری از سایش قطعات درگیر موتور و همچنین كاهش اصطكاك به كار می رود، پرداخته می شود.

● مشكلات روان كننده های رایج W۵۲
روان كننده های رایج W۵۲ دارای ساختاری شبیه به گرافیت بوده و با لغزیدن لایه ها روی همدیگر، سبب كاهش اصطكاك می شوند. لبه های این لایه ها فعال بوده و سبب می شود كه این مواد به آرامی تجزیه شده یا در اثر حرارت و فشار بالا وارد واكنش شده و با سطح فلز تركیب و واكنش دهند. همچنین این لایه ها، به خاطر بزرگ بودن نمی توانند در ترك ها و منافذ موجود در روی سطح وارد شوند و بنابراین روی هم انباشته شده و به سطح می چسبند وبه این ترتیب بعد از مدتی از روان كنندگی مناسب جلوگیری می كنند.این عوامل سبب می شوند كه روان كننده ها توانایی خود را از دست داده و اصطكاك میان دو سطح فلز افزایش یابد، بنابراین نیاز به ذرات كوچكتر و مقاومتر وجود دارد.

● استفاده از نانو ذرات W۵۲
امروزه برای روانكاری قطعات درگیر- به منظور كاهش بیشتر اصطكاك و ساییدگی- از نانو ذراتW۵۲ استفاده می شود.نانو ذرات W۵۲ ذرات كروی شكلی هستند كه از آنها در تولید محصولی به اسم Nanolub استفاده می شود. این محصول كه بسیار بهتر از روان كننده های معمولی عمل می كند سبب كاهش اصطكاك و سایش، به خصوص در مواقع بارگیری زیاد شده و علاوه برآن سبب افزایش طول عمر دستگاه و كاهش هزینه های نگهداری و تعمیرات می شود. همچنین این روان كننده قابل استفاده در ماشین ها و دستگاههای صنعتی و هواپیما است.نانو ذرات كروی شكل موجود در Nanolub بسیار ریز هستند و می توان گفت هنگام قرار گرفتن بین دو سطح به صورت بلبرینگ های بسیار كوچك عمل می كنند. آزمایش های بسیاری نشان می دهند كه این روان كننده تا حد بسیار زیادی سبب كاهش اصطكاك، ساییدگی و دما شده و بسیار بهتر از سایر روان كننده های جامد عمل می كند به خصوص در مواقعی كه بار زیادی روی سیستم وجود دارد. همچنین این روان كننده از سوختن و بهم چسبیدن و پوسته پوسته شدن سطح فلز جلوگیری می كند.روان كننده Nanolub به صورت افزودنی به روان كننده های مایع، گریس ها، به صورت پودر جامد، پوشش نازك كامپوزیتی روی فلز و به صورت لایه پلمیری كامپوزیتی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. روان كننده دارای نانو ذرات W۵۲ ، در روی سطوح زبر به خوبی عمل می كنند. این امر به این معنی است كه سطوحی كه روی هم می لغزند دیگر لازم نیست به صورت كاملاً یكنواخت و صاف باشند در صورتی كه در روش های رایج برای كاهش اصطكاك، به جلا دادن و صاف كردن سطح تا حد بسیار زیادی نیاز وجود دارد كه این امر مستلزم هزینه زیاد و دقت بالایی است.با استفاده از روان كننده Nanolub ، سطوح در تماس با یكدیگر بعد از مدتی توسط خودشان و به صورت خودكار جلا داده می شوند، چرا كه روان كننده در منافذ بین سطوح به دام می افتد و به تدریج با ساییده شدن زبری های بزرگ سطح، آزاد شده و عمل روان كنندگی را انجام می دهند و از ایجاد اصطكاك در بین سطوح تا حد زیادی جلوگیری می كنند.در روان كننده های معمولی با افزایش بارگذاری، ضریب اصطكاك بعد از مدتی به طور ناگهانی افزایش می یابد. در حالی كه این افزایش، هنگام استفاده از نانو ذرات W۵۲ در بارگذاری های بسیار بالا دیده می شود و میزان افزایش ضریب اصطكاك نیز بسیار كم است.در حال حاضر نانو ذرات W۵۲، شامل افزودن به روغن، افزودنی به گریس، قرار گرفتن در لایه های كامپوزیتی پلیمر و پوشش های كامپوزیت های فلزی مورد استفاده قرار می گیرد.خصوصیات برجسته Nanolub ، عبارتند از قابلیت نفوذ در منافذ ریز، جلوگیری از Build up سطوح و امكان ایجاد سطوح خود روان كننده.

▪ ویژگیها و مزیت های دیگر نانو لوب ها عبارتند از:
ـ كاهش اصطكاك و ساییدگی در بارگذاری بالا (بهتر از سایر روان كننده های رایج)
ـ طولانی بودن طول عمر روان كننده
ـ توانایی تحمل بارگذاری بسیار زیاد
ـ پایداری شیمیایی و فیزیكی بالای نانو ذرات
ـ صرفه جویی در مصرف انرژی و كاهش آلودگی
ـ سازگاری با محیط زیست
ـ حفط دقت بالای اجزای مختلف دستگاه بعد از كاركردن طولانی
ـ كاهش هزینه تهیه و ساخت اجزای ماشین ها و دستگاه ها به دلیل كاركرد مناسب روی سطوح زبر.

 

[mahdi.adelinasab]

نانو پودرها

نانو پودرها

● نانوپودر چیست؟
پودر‌ها ذرات ریزی هستند كه از خُرد کردن قطعات جامد و بزرگ، یا ته‌نشین شدن ذرات جامدِ معلق در محلول‌ها به دست می‌آیند. بنابراین، نانوپودرها را می‌توان مجموعه‌ی از ذرات دانست که اندازه‌ی آنها کمتر از ۱۰۰ نانومتر است. (اگر یك متر را یك میلیارد قسمت كنیم، به یک نانومتر می‌رسیم. طبق تعریف، ساختار نانومتری ساختاری است که اندازه‌ی آن کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد).
چه پودری را می‌توان نانوپودر به شمار آورد؟
پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار می‌آیند:

▪ حالت اول: ساختار ذرات تشكیل‌دهنده‌ی پودر، در حد نانومتر باشد.
یعنی اگر ساختار ذرات تشكیل‌دهنده‌ی یک پودر را به صورت یکی از اشكال منظم هندسی در نظر بگیریم، میانگین اندازه‌ی اضلاع آن بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد. مهمترین اشكال هندسی، كُره و مكعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشكیل‌دهنده‌ی پودر را كُره فرض كنیم، باید قطر كُره کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مكعب فرض شود، میانگین اضلاع مكعب باید در محدوده‌ی ۱ تا ۱۰۰ نانومتر قرار گیرد. به عبارت حسابی‌تر، میانگین اضلاع مکعب باید در این رابطه صدق کند: nm ۱ nm<<۱۰۰. برای مثال، بلورهای نمك طعام ساختاری مكعب‌شکل دارند.

▪ یادآوری: اگر بیشترِ ذرات تشکیل‌دهندهٔ پودر، ابعادی میان ۱ تا ۱۰۰ نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.

▪ حالت دوم: دانه‌های تشکیل‌دهندهٔ پودر، ابعاد نانومتری داشته باشند.
در حالتی که اندازه‌ی ذرات تشكیل‌دهنده‌ی پودر از صد نانومتر بیشتر باشد، کافی است دانه‌های آن ابعاد نانومتری داشته باشند تا نانوپودر به شمار آیند. یک مثال برای فهم این موضوع، اتم‌هایی هستند که به صورت منظم و درون سلول‌هایی که آنها را "دانه" می‌نامیم، کنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوری جامد نیز از سلول‌های ریزی تشكیل شده‌اند كه به آنها دانه می‌گویند. درون هر دانه، اتم‌ها در یك جهت خاص و ردیف‌های موازی چیده شده‌اند و تفاوت دو دانهٔ مجاورِ هم، تفاوت در همین جهت‌گیری اتم‌هاست. در دانه‌ی ۱، اتم‌ها در ردیف‌های موازی و با زاویه‌ی ۴۵ درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. در دانه‌ی ۲ اتم‌ها با زاویه‌ی ۹۰ درجه و در دانه‌ی ۳ اتم‌ها با زاویه‌ی ۱۲۰ درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. وقتی این سه دانه در كنار یكدیگر قرار بگیرند، یك ذره تشكیل می‌شود. به فضای خالی بین دانه‌ها «مرز دانه» می‌گویند. مرز دانه محلی است كه جهت چیده شدن اتم‌ها عوض می‌شود. همچنین دانه‌ها را می‌توان مانند آجرهای یك دیوار فرض كرد. در این صورت، مرز بین دانه‌ها ملات بین آجرهاست. اگر قطر این دانه‌ها بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد، ذرات حاصل تشكیل نانوپودر می‌دهند. هر چه قطر دانه‌های یك ذره كمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌های تشكیل‌دهنده‌ی آن بیشتر خواهد بود (واضح است كه هر چه آجرهای تشكیل‌دهنده‌ی یك دیوار ۱ متر در ۱ متر كوچكتر باشند، تعداد آجرها بیشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بیشتر شود، مانند گره‌های یک فرش، تار و پود آن محكمتر و درهم‌تنیده‌تر است و بنابرین استحكام محصول بیشتر خواهد بود.

▪ یادآوری: اگر درصد قابل توجهی از دانه‌های تشكیل‌دهنده‌ی ذرات، نانومتری باشند، پودر، نانوپودر محسوب می‌شود.
حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولی ترکیب شوند.
در این حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزیتی» می‌نامند. کامپوزیت که از کلمه‌ی انگلیسی composition گرفته شده، به معنی ترکیب دو یا چند چیز است. ملموس‌ترین مثال برای كامپوزیت، كاه‌گل است. در كاه‌گل رشته‌های كاه در زمینه‌ی گِل پراكنده شده‌اند. در نانوپودرهای كامپوزیتی نیز ذرات نانومتری در زمینه‌ی ذرات بزرگتر (غیر نانومتری) پراكنده شده‌اند. علت ترکیب شدن آنها اختلاف خواص این دو ماده است. در کامپوزیت معمولاً زمینه از یک ماده‌ی نرم و افزودنی از ماده‌ی سخت انتخاب می‌شود. در این صورت، هنگامی‌ که به ماده نیرو وارد می‌شود، زمینه نیرو را به رشته یا پودر اضافه‌شده منتقل می‌كند تا بتواند در برابر نیروی واردشده‌ مقاومت بیشتری داشته باشد.

 

[mahdi.adelinasab]

نانو پودرهای مغناطیسی

نانو پودرهای مغناطیسی

▪ میدان مغناطیسی :میدان مغناطیسی‌ یك میدان نیروست، مثل میدان جاذبهٔ زمین. درست همان‌طور كه یك جسم در محدودهٔ میدان جاذبهٔ زمین، جذب زمین می‌شود، یك قطعهٔ مغناطیسی نیز در میدان مغناطیسیِ یك آهن‌ربا، جذب آهن‌ربا می‌شود.
این خاصیت مغناطیسی در آهن‌ربا به علت وجود دوقطبی‌های مغناطیسی است (یعنی یك آهن‌ربا متشكل از آهن‌رباهای ریز است). علت به وجود آمدن دوقطبی‌های مغناطیسی، حركت الكترون‌هاست. برای درك بهتر انواع حركت‌های الكترون، بهتر است قدری راجع به ساختمان اتم صحبت كنیم.

● ساختمان اتم

همان‌طور كه می‌دانیم، اتم شامل مجموعه‌ای از ذرات باردار مثبت (پروتون‌ها) در هسته و مجموعه‌ای از ذرات باردار منفی (الكترون‌ها) در پوسته است. (نوترون در ایجاد خاصیت مغناطیسی تأثیری ندارد). الكترون‌ها در مدارهایی حلقوی به نام اُربیتال دور هسته می‌چرخند. با نگاه به نمودار زیر (كه برای Fe۲۶ رسم شده است) قطعاً این مجموعه را به خاطر خواهید آورد:

Fe26: 1s2,2s2,2p6,3s3,3p6,3d4,4s2

اُربیتال‌ها به ترتیب با نام‌های K و L وM وN و... شناخته می‌شوند و در هر اُربیتال اتم‌ها در لایه‌های s و p و d و f به دور هسته می‌چرخند. جهت چرخش الكترون به دور هسته را «اسپین» می‌گوییم. در تمام این مقاله،‌ می‌خواهیم این موضوع را تفهیم کنیم كه چرخش الكترون به دور هسته بُرداری به نام «گشتاور» ایجاد می‌كند. حتماً قانون دست راست را به خاطر می‌آورید: اگر چهار انگشت در جهت چرخش الكترون‌ها خم بشوند، انگشت شصت دست راست، جهت نیرویی را نشان می‌دهد که در اثر تغییر بردار حرکت الکترون تولید می‌شود. مجموعهٔ خطوط این بردارهای گشتاور، یك میدان مغناطیسی را به وجود می‌آورد. یعنی وقتی یك جسم در فاصله‌ای نزدیك چنین قطعه‌ای قرار بگیرد، این مجموعه از نیروها بر آن وارد می‌شوند و به اصطلاح آن را یا به طرف خود جسم می‌كشند (جاذبه) و یا هُل می‌دهند (دافعه).
امّا حتماً توجه دارید که دو نیرو در یك راستا، ولی در خلاف جهت هم، همدیگر را خنثی می‌كنند. بنابراین،‌ اگر در یك لایه مانند s ــ كه در آن دو الكترون در خلاف جهت هم دور هسته می‌چرخند ــ هر دو الكترون وجود داشته باشند، دوبردار نیرو در خلاف جهت تولید می‌شوند كه همدیگر را خنثی می‌كنند. از این رو، اگر جسمی در نزدیكی آنها قرار بگیرد، یك نیرو آن را می‌كشد و یك نیرو آن را هُل می‌دهد و در کل هیچ نیرویی بر آن وارد نمی‌شود. پس مادهٔ مورد نظر ما، با یك اربیتال پُر (دارای تعداد الكترون‌های زوج در لایهٔ آخر كه برای Fe۲۶،‌ اربیتال d لایهٔ آخر است) دارای خاصیت مغناطیسی نخواهد بود.
اما یك راه دیگر هم برای ایجاد خاصیت مغناطیسی در ماده وجود دارد. در این روش، خاصیت مغناطیسی ناشی از نوع دیگری از حركت الكترون در اتم است. چون الكترون‌ها به جز حركت اُربیتالی (چرخش به دور هسته كه در بالا توضیح داده شد) می‌توانند مثل كرهٔ زمین به دور خود نیز بچرخند. در این حالت نیز همان بردار گشتاور ایجاد می‌شود و اگر تعداد الكترون‌ها در لایهٔ آخر زوج باشد دوباره نیروهای به‌وجودآمده همدیگر را خنثی می‌كنند.
جامداتی كه در آنها لایهٔ d در حال پر شدن است، دارای خاصیت مغناطیسی خواهند بود، اما این خاصیت مغناطیسی فقط ناشی از چرخش الكترون‌های لایهٔ آخر (: Fe۲۶) است. زیرا لایهٔ d به هسته نزدیك است و جاذبهٔ هسته به الكترون‌های این لایه اجازه نمی‌دهد که به دور خود بچرخند. اما در جامداتی كه لایهٔ f در حال پُر شدن است، چون فاصلهٔ لایه از هسته زیاد است، الكترون‌ها هم می‌توانند به دور خودشان و هم به دور هسته بچرخند. پس دو بردار نیرو ناشی از دو نوع حركت به وجود می‌آید و واضح است كه خاصیت مغناطیسی بسیار بیشتر از حالت قبل خواهد شد. البته به این موضوع هم باید توجه كرد كه جهت چرخش به دور هسته (حركت اُربیتالی) و چرخش به دور خود (حركت وضعی) برای یك الكترون در خلاف هم هستند.
● حوزه‌های مغناطیسی

یك مادهٔ مغناطیسی مجموعه‌ای از حوزه‌های مغناطیسی است. حوزهٔ مغناطیسی،‌ ناحیه‌ای است كه درون آن همهٔ الكترون‌های لایه‌های منفرد در یك جهت به دور هسته و به دور خود می‌چرخند. یعنی یك مادهٔ چندحوزه‌ای مجموعه‌ای از حوزه‌هاست كه در هر حوزه الكترون‌ها در جهتی خاص به دور هسته می‌چرخند و مشخص است كه هر چرخش الكترون، بردار نیرو در راستای خاص خود را به وجود می‌آورد و مجموعهٔ بردارهای نیروی تولیدشده، در جهات مختلف، به نوعی همدیگر را خنثی می‌كنند. یعنی میدان نیروی ما، مجموعه‌ای از نیروهای پراكنده است. پس قدرت آن ضعیف‌تر خواهد شد.

▪ برای درك این موضوع به مثال زیر توجه كنید.

دو اتاق كنار هم را در نظر بگیرید. در اتاق اول ۱۰ نفر وجود دارند. از این ۱۰ نفر، ۱ نفر از جنوب به شمال،‌ ۲ نفر از غرب به شرق، ۱ نفر از شرق به غرب و ۴ نفر از شمال به جنوب در حركت‌اند. (این اتاق دقیقاً همان مادهٔ چندحوزه‌ای است كه در بالا به آنها اشاره شد و فلش‌ها جهت حركت آدم‌ها هستند).
در اتاق دوم ۴ نفر وجود دارند كه همگی از شمال اتاق به سمت جنوب اتاق در حركت‌اند. مشخص است كه در اتاق اول آدم‌ها با هم برخورد می‌كنند. بنابراین، برآیند حركت آنها از شمال اتاق به جنوب اتاق خیلی كم‌تر از حركت دو نفر از شمال اتاق به جنوب آن است. اما در اتاق دوم، چهار نفر به‌راحتی حركت می‌كنند و هیچ برخوردی بین آنها وجود ندارد. بنابراین، برآیند حركتیِ آنها معادل حركت ۴ نفر است.

● القای مغناطیسی

القای مغناطیسی یعنی اینكه بخواهیم ماده‌ای را كه برای مغناطیسی شدن مناسب است، مغناطیس كنیم. واضح است كه برای این كار باید حوزه‌های مغناطیسی غیر هم‌جهت را هم‌جهت كنیم تا نیروهای حاصل همدیگر را خنثی نكنند. برای این كار باید قطعه را با یك آهن‌ربا مالش دهیم، یا آن را در جهت میدان مغناطیسیِ زمین گداخته كنیم یا در این جهت چكش‌كاری كنیم. این كارها باعث چرخیدن فلش‌ها در هر حوزه ‌می‌شوند تا در نهایت تمام فلش‌ها هم‌جهت شوند، یعنی جهت چرخش الكترون‌ها در هر حوزه عوض شود. با این كار مرز بین حوزه‌ها حركت می‌كند و حوزه‌های كوچك‌تر در حوزه‌های بزرگ ادغام (هضم) می‌شوند.
ساده‌ترین مواد مغناطیسی که می‌شناسیم، آهنرباها هستند. آهن‌رباها نقش تعیین‌كننده‌ای در زندگی بشر دارند. در این فصل نشان می‌دهیم كه برای استفاده از برخی خواص مغناطیس، از جمله در كارت‌های اعتباری، باید از پودرهای مغناطیسی استفاده كرد. همچنین نشان می‌دهیم كه اندازهٔ پودرها تأثیر زیادی در خاصیت مغناطیسی آنها دارد.

 

[mahdi.adelinasab]

ادامه----->

ادامه----->

● سرگذشت آهنربا

بزرگترین مادهٔ مغناطیسیِ زمین، خودِ زمین است. زمین آهنربایی دوقطبی است كه میدان مغناطیسی آن در جهت شمال به جنوب قرار دارد. یعنی اگر آهنربایی را در فضا معلق نگاه داریم، در این جهت قرار می‌گیرد.
اولین مادهٔ مغناطیسی كه بشر شناخت، اكسیدآهن بود. این ماده دارای خاصیت آهنربایی غیردائمی است. یعنی خاصیت مغناطیسی آن از بین می‌رود. مواد مغناطیسی در سه دستهٔ فلزات، سرامیک‌ها، و پلیمرها می‌گنجند. عمدهٔ مواد مغناطیسی جزء دستهٔ سرامیك‌ها هستند. سرامیك‌ها از طریق پیوند یونیِ یك فلز یا غیرفلز با كوچك‌ترین اتم‌های طبیعت، یعنی اكسیژن،‌ نیتروژن، بور و كربن به وجود می‌آیند. (البته هیدروژن كه كوچك‌تر از همه است در این بین نیست).
خواص مغناطیسی اكسید آهن توسط «تالس» شناخته شد.
در قرن هفتم میلادی از این ماده آهنربا ساخته شد و در قطب‌نما به کار رفت.
آهنربا و دانش ساخت آن، پس از پانصد سال از چین به اروپا رسید. در اروپا‌ دانشمندی فرانسوی به نام گیلبرت، كتاب «قطعات آهنرباشده و آهنربای بزرگ زمینی» را نوشت. در این كتاب قدیمی‌ترین و ساده‌ترین روش‌های آهنربا كردن یك قطعهٔ مغناطیسی به شرح زیر بیان شده‌اند:

۱. مالش دادن یك قطعهٔ آهنی (قطعه‌ای که می‌خواهیم مغناطیسی شود) با یك آهنربا (دارای میدان مغناطیسی)؛

۲. گداخته كردن یك قطعهٔ آهنی (تا سرخ شود) و سپس سرد كردن آن در جهت میدان مغناطیسی زمین؛

۳. چكش‌كاری یا كشش یك قطعهٔ آهنی در جهت میدان مغناطیسی زمین.

● نانوپودرهای مغناطیسی

می‌دانیم که اندازهٔ مواد و پدیده‌ها در مغناطیس در مقیاس بسیار ریز قرار دارد. از سوی دیگر، می‌دانیم كه یك ماده هر چه حوزه‌های کم‌تعدادتری داشته باشد، نیروی كمتری برای همجهت کردن حوزه‌های آن لازم است. اگر ماده تنها دارای یك حوزه باشد، در این صورت دیگر نیازی به همجهت كردن آن با دیگر حوزه‌ها نیست. از آنجا‌كه قطر این حوزه‌ها در محدودهٔ یک تا چند هزار نانومتر قرار دارد، اگر هر ذره فقط دارای یک حوزه باشد، می‌تواند نانوپودر به شمار رود. به این ترتیب، ذرات نانوپودر دارای تعداد حوزه‌های كمی هستند و مغناطیس كردن آنها كار ساده‌ای است. از طرف دیگر، بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، می‌دانیم که موادی که از حالت طبیعی خارج شده‌اند، تمایل دارند که به حال طبیعی خود بازگردند و مغناطیس كردن یك ماده، ماده را از حالت طبیعی خود خارج می‌کند. اما چون نانوپوردها احتیاج به نیروی زیادی برای مغناطیس شدن ندارند و از حالت طبیعی خود خیلی فاصله نمی‌گیرند، پس از مغناطیس شدن، تمایل زیادی برای از دست دادن این خاصیت و بازگشت به حالت طبیعی ندارند.

▪ قانون دوم ترمودینامیک: بی نظمی در یک سیستم منزوی، در یک فرایند خودبه‌خودی، افزایش می‌یابد.

اما به طور كلی با گرم كردن یك مادهٔ مغناطیس‌شده تا دمای كوری، حوزه‌ها به جهت‌های اولیه خود برمی‌گردند و خاصیت خود را از دست می‌دهند.
دمای کوری دمایی است که در آن ماده کاملاً خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد.

● كاربردهای نانوپودرهای مغناطیسی

۱. ساخت آهنربا

برای ساخت آهنربا می‌توان به روشی که در ساخت قطعات از نانوپودرها توضیح داده شده است عمل كرد. یعنی پودرها را تحت فشار در دمای بالا قرار داد تا به هم بچسبند و یك قطعه درست شود. چنین قطعات آهنربایی در بلندگوها، هدفون‌ها و... استفاده می‌شوند. جالب است بدانید خودروهای جدید ۷۰ آهنربای دائمی دارند. حركت موتورهای DC، حركت سقف، شیشه‌های پنجره و... با استفاده از آهنرباها كنترل می‌شوند.
قطارهایی هم كه روی هوا حركت می‌كنند، بر مبنای نیروی دافعهٔ بین آهنرباها در ریل و كف قطار، روی هوا می‌ایستند. یكسو و غیرهمسو كردن جریان الكتریكی این آهنرباها را به وجود می‌آورد و موجب حرکت یا ترمز قطار می‌شود.

۲. قطعات آهنرباییِ کامپوزیت‌شده با پلیمرها

به جای روش حرارت تحت فشارِ پودرها که خاصیت مغناطیسی را کم می‌کند، می‌توان از پلیمرها كه در دمای نه چندان بالا ذوب می‌شوند استفاده كرد. به این شکل که پودرهای مغناطیسیِ مذاب را در آنها بریزیم و سرد كنیم تا جامد شوند. البته پلیمرها خاصیت مغناطیسی ندارند و بنابراین خاصیت مغناطیسی آهنربای تولیدشده كم می‌شود، ولی می‌توان از این نوع آهنربا در جایی كه آهنربا باید تحت ضربه كار كند، مثل درِ یخچال، استفاده كرد. (توجه کنید که ضربه خاصیت مغناطیسی را كم می‌كند).

۳. در محیط‌های ذخیره اطلاعات

یکی از مهمترین كاربردهای پودر مغناطیسی، ذخیرهٔ اطلاعات در كارت‌های اعتباری است. در این محیط‌ها، پودر مغناطیسی به صورت ذرات ریزی که به‌سختی آهنربا می‌شوند و به‌سختی هم خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. حفظ و ماندگاری اطلاعات در چنین محیط‌هایی بسیار مهم است و پایداری خاصیت مغناطیسی در پودرها باعث می‌شود اطلاعات حکاکی‌شده‌ای که در قالب حوزه‌های مغناطیسی ثبت شده‌اند از بین نروند.

 

[mahdi.adelinasab]

روشهای تولید و کاربردهای نانوپودرها

روشهای تولید و کاربردهای نانوپودرها

● نانوپودر تولید کنیم
به طور كلی نانوپودرها را نیز مانند دیگر موادّ نانومتری می‌توان به دو روش پایین به بالا یا بالا به پایین تولید كرد. در روش بالا به پایین قطعه را از اندازه‌های بزرگ انتخاب و آن را آن‌قدر خُرد می‌كنیم تا به اندازه‌های نانومتری برسد. در روش پایین به بالا، اتم‌ها را دانه به دانه كنار هم می‌چینیم تا یك ساختار نانومتری به وجود آید. در زیر، دو روش فوق توضیح داده می‌شوند.
۱. خُرد كردن قطعات بزرگ
یك استوانه‌ی توخالی را فرض كنید كه گوی های فلزی یک‌سوم حجم آن را پُر کرده‌اند. یك قطعه‌ی بزرگ نیز یک‌سوم حجم داخل استوانه را در بر گرفته است. در نتیجه، یک‌سومِ حجم داخل استوانه خالی خواهد بود. اگر این استوانه را بچرخانیم، گوی های فلزی به قطعه برخورد و آن را خُرد می‌كنند. در صورتی كه اندازه‌ی اضلاع قطعه‌ی اولیه ۱ میكرومتر باشد (اگر یك میلی‌متر را هزار قسمت كنیم، طولی معادل یك میكرومتر به وجود می‌آید)، با اولین برخورد، قطعه دو قسمت و اندازه‌ی اضلاع آن nm۵۰۰ می‌شود. در مرحله‌ی دوم، با دو قسمت شدن قطعه، اضلاع آن ۲۵۰ نانومتر می‌شود و در مرحله‌ی سوم nm ۱۲۵. تا اینكه در مرحله‌ی چهارم، ذره‌ای نانومتری به اندازه‌ی nm ۵/۶۲ به‌دست می‌آید. در روش بالا به پایین، مهم این است كه جسمِ خُردشونده باید مثل گِل خشك تُرد باشد تا پس از پذیرفتن ضربه خُرد شود، وگرنه موادّ نرم را تا این‌حد نمی‌توان خُرد كرد. به طور كلی در این روشِ تولید، باید انرژی بسیار زیادی را صرف كرد تا ذرات محكم به یك ماده‌ی تُرد ضربه وارد و آن را خُرد كنند.
۲. رسوب‌دهی از محلول‌ها
در این روش ابتدا باید محلول مورد نظر را ساخت. این محلول می‌تواند به دو حالت باشد:
الف ـ ذرات جامدِ معلق در مایع؛
ب ـ ذرات گازی.


الف ـ ذرات جامدِ معلق در مایع
در صورتی كه محلول ما مایع باشد، می‌توان ذرات جامدِ معلق در آن را با حرارت دادن، افزودن موادی خاص برای ته‌نشین كردن، یا با افزایش غلظت جامد و سیر شدن محلول در آن، رسوب داد. حین رسوب كردن، اتم‌ها دانه‌به‌دانه كنار هم جمع می‌شوند تا یك پودر نانومتری را تولید كنند.
ب ـ ذرات گازی
روش دیگر این است كه ما به قدری سریع محلول‌های گازی را سرد كنیم تا گاز مستقیماً تبدیل به جامد شود (به این فرایند «چگالش» می گوییم). در این حالت نیز اتم‌ها در كنار هم جمع می‌شوند تا ذراتِ یك پودر نانومتری را تولید كنند.

● نانوپودرها به چه کار می‌آیند؟
۱. پوشش‌دهی
یكی از مهمترین كاربرد نانوپودرها «پوشش‌دهی» است. وقتی مقداری پودر روی یك سطح ریخته می‌شود، می‌تواند تمام سطح را بپوشاند. مثلاً اگر سطح زمین پودر گچ بپاشیم، تمام سطح پوشیده می‌شود و یک سطح یکدست سفید به وجود می‌آید. اما در این حالت هنوز فضاهای خیلی ریزی بین پودرها وجود دارد، یعنی پوشش یكپارچه نیست. اکنون مقداری آب به گچ اضافه می‌كنیم و صبر می‌كنیم تا آب توسط حرارت خشك شود. می‌بینیم كه ذرات پودر به هم چسبیده‌اند و یك پوشش یكدست بر روی سطح به وجود آمده است. اساس پوشش‌دهی توسط نانوپودرها نیز دقیقاً همین است، یعنی پودرها را ــ عمدتاً باشدت ــ به سطح می‌پاشند و بعد توسط یك عامل اضافه‌شونده ــ عمدتاً گازهای اكسیژن یا آرگون كه همان نقش آب را در مثال گچ بازی می‌كنند ــ و حرارت، این ذرات را به هم می‌چسبانند تا یك پوشش یكپارچه بر روی سطح ایجاد شود. پوشش روی داشبورد ماشین دقیقاً به این روش تولید می‌شود.
۲. ساخت قطعات
همان‌طور كه دیدیم، ذراتِ پودر میل زیادی دارند که مانند بُراده‌های آهنربا به هم بچسبند. از طرفی این میل با اِعمال فشار به پودر و درجه‌ی حرارت به‌شدت افزایش می‌یابد، و بنابراین، با اِعمال فشار و افزایش درجه‌ی حرارت می‌توان پودرها را آن‌قدر به هم فشرد تا به هم بچسبند و یك قطعه را تولید كنند. این روش عمدتاً برای تولید قطعات با شكل‌های پیچیده به كار می‌رود. (این پدیده به طور طبیعی در نمك طعام اتفاق می‌افتد. اگر مقداری نمك طعام در داخل یك نمكدان باقی بماند، بعد از مدتی ذرات نمك به هم می‌چسبند و نمكدان دیگر نمك نمی‌پاشد. بنابراین، باید به نمكدان چند ضربه وارد كنیم تا ذرات از همدیگر جدا شوند).
۳. استفاده در كِرِم‌ها
همان‌طور كه می‌دانیم، نانوپودرها ذراتی با قطر یك تا ۱۰۰ نانومتر هستند. وقتی از این ذرات در ساخت كِرِم استفاده می‌شود، چون قطر آنها كوچك است، اشعه‌های مُضرّ نور خورشید را كه طول موج‌های بزرگتر از صد نانومتر دارند از خود عبور نمی‌دهند. این در حالی است كه اشعه‌های نور مرئی را كه موجب دیده شدن قطعات‌اند از خود عبور می‌دهند. بنابراین، به صورت شفاف دیده می‌شوند. در این حالت ما كِرِمی داریم كه شفاف است و اشعه‌های مُضرّ را از خود عبور نمی‌دهد.
۴. شناسایی آلودگی ها
ذراتی كه نانوپودرها را تشکیل می‌دهند، با استفاده از خواصّ سطحی خود، وقتی به یك محلول حاوی آلودگی (مثل باكتری، سلول سرطان زا و..). اضافه می‌شوند، روی آلودگی‌ها می‌چسبند و در اثر واكنش با آنها تغییر رنگ می‌دهند و باعث شناسایی آنها می‌شوند. البته هر ذره كوچكتر از آن است كه تغییر رنگِ حاصل از آن دیده شود، اما تغییر رنگِ مجموعه‌ی این ذرات، آلودگی‌ها را قابل تشخیص و شناسایی می‌كند. در فیلم زیر كه به عنوان مثالی از كاربرد نانوپودرها آورده شده است، ذرات نانوساختارِ سیلیكون در محلول، قطرات روغن را شناسایی می‌كنند و با نفوذ مقداری از مایع به داخل حفره‌های آنها، تغییر رنگ می‌دهند و هدف را قابل تشخیص می‌نمایند.

 

[mahdi.adelinasab]

كشف فعالیت قدرتمند ضدمیكروبی نانولولههای كربنی

كشف فعالیت قدرتمند ضدمیكروبی نانولولههای كربنی

دانشمندان در آمریكا دریافته‌اند كه نانولوله‌های كربنی فعالیت قدرتمند ضدمیكروبی دارند و این كشف امید تازه‌ای برای مبارزه با عفونت‌های مقاوم در برابر آنتی‌بیوتیك‌ها است.مناچیم الی ملیچ و دستیاران وی در دانشگاه «ییل» خاطر نشان كردند كه تحقیقات اولیه شامل بررسی خاصیت مسموم كنندگی نانولوله‌های كربنی تك دیواره‌یی(SWNT) بر روی تاثیرات شدید آنها بر روی انسان و محیط زیست متمركز بوده است.این محققان اظهار داشتند، آما آنچه كه بسیار آنها را شگفت زده كرد و تاكنون در هیچ پژوهشی گزارش نشده است، وجود تعامل مستقیم بین نانولوله‌های كربنی تك دیواره‌یی و میكروبها است.آنها یادآور شدند: یافته‌های ما اولین مدرك علمی مستقیم را در مورد فعالیت قدرتمند ضد میكروبی این نانولوله‌های كربنی ارائه می‌كند و نشان می‌دهد باكتریهایی كه با این نانولوله‌ها در تماس هستند دچار آسیب دیدگی شدید غشاء سلولی می‌شوند.این شواهد تاكیدی بر قابلیت استفاده از نانولوله‌های كربنی تك دیواره‌یی به عنوان اجزاء سازنده در مواد ضدمیكروبی است.

 

[mahdi.adelinasab]

کاربرد فناوری نانو در گستره علم پزشکی

کاربرد فناوری نانو در گستره علم پزشکی

فناوری نانو عبارت است از طراحی، تعیین ویژگی ها، استفاده از ساختارها، وسایل و سیستم هایی که قابلیت کنترل شکل و اندازه در حد نانومتر را دارا باشند و در نتیجه بتوان از آنها در جهت تولید و استفاده در حد ابعاد اتمی بهره برد. نانوفناوری در رشته های مختلف مهندسی، علوم پزشکی به طور گسترده یی قابل استفاده است.با توجه به ارزش ۵ میلیارد یورویی اختراعات کنونی نانوفناوری در جهان می توان تخمین زد که این مقدار تا سال ۲۰۱۵ میلادی به رقمی بیش از یک تریلیون یورو برسد. در اینجا به بررسی امکان استفاده از فناوری نانو در فرآورده های پزشکی و سیستم های دارورسانی کنترل شونده به دست آمده از جدید ترین تحقیقات می پردازیم و به مهم ترین مقوله در آن یعنی تولید پلیمرهای جدید و ترکیبات ویژه پلیمر - دارو به منظور ارتقای کیفی سیستم های دارورسانی پاسخگو در برابر محرک و دارای قابلیت به کارگیری در تشخیص و درمان می پردازیم.

● نانوفناوری و ارتباط آن با علم پزشکی
نانوابزارها ۱۰ الی ۱۰۰ هزار مرتبه کوچک تر از سلول انسانی و به اندازه مولکول های بزرگ بیولوژیک مانند آنزیم ها و رسپتورها هستند.نانوسیستم ها توانایی انجام واکنش هم در سطح و هم در داخل سلول را دارا بوده و در نتیجه با به کارگیری آنها تشخیص و درمان بیماری ها به گونه یی غیرقابل تصور در سطح وسیعی از بدن امکانپذیر است. با به کارگیری علم نانوبیوفناوری، امروزه انجام بسیاری از امور پزشکی نظیر درمان سرطان ها از طریق تخریب مستقیم تومورها، درمان بیماری دیابت به وسیله تنظیم و نگهداری تعادل هورمون های بدن و بازسازی، نگهداری و بهبود اندام های بدن و پیوندهای زیست سازگار میسر شده است.

● اصول دارورسانی کنترل شونده
از آن رو که عملکرد بدن بر پایه یک برنامه روزانه مشخص تغییر می کند متقابلاً درمان های دارویی نیز باید مطابق با این برنامه بیولوژیکی روزانه انجام شوند. در صورتی که داروی درست در زمان صحیح به محل اثر برسد، مخاطرات و عوارض جانبی دارویی و متعاقب آن هزینه های درمانی به حداقل رسیده و میزان پذیرش بیماران افزایش می یابد.در شیمی درمانی تومورهای سرطانی استخوان، سلول های سالم نیز همراه با سلول های سرطانی از بین رفته و در نتیجه احتمال ابتلا به عفونت در بیماران تحت شیمی درمانی افزایش می یابد. سیستم های دارورسانی کنترل شونده به منظور تجویز مستقیم، هدفمند و طولانی مدت طراحی شده اند که باعث ثابت ماندن سطح خونی دارو در حد اپتیمم برای هر مدت زمان دلخواه می شود.دارورسانی با سرعت های خاص به بافت مورد نظر با بهره وری از سیستم های دارورسانی یا نانوحامل ها در اشکال گوناگون مثل نانوسفر، نانوکپسول، میکروامولسیون، کمپلکس های نانومولکولی و نانوذرات امکانپذیر خواهد بود.

● اصول بازسازی، رشد و بهبود بافت
علم مهندسی بافت به بحث پیرامون تولید بافت جدید در اندازه های آزمایشگاهی و جایگذاری این بافت در بدن طی عمل جراحی یا تحریک بازسازی در محل با استفاده از پیوندهای شبه طبیعی متشکل از سلول های زنده که داخل یا نزدیک منطقه آسیب دیده وارد می شوند، می پردازد. اگرچه به دلیل احتمال انتقال بیماری یا ایجاد پاسخ ایمنی، موفقیت این فناوری را می توان نسبی تلقی کرد ولی با این وجود به رغم آن، کاربرد مواد مصنوعی از فرآورده ها انجام می شود. این مواد در اندازه یی بزرگ تر از میکرون بوده و در نتیجه توان بازسازی بافت را ندارند و همین امر موفقیت به کارگیری از این مواد را با مشکل مواجه ساخته است.در مقابل مواد در ابعاد نانو به دلیل دارابودن اندازه یی در حدی که مشابه ترکیبات سازنده بافت های طبیعی مثل پروتئین ها هستند، کاربرد می یابد. مواد نانوذره یی شدیداً واکنشگر بوده و به دلیل عملکرد مشترک با پروتئین های کنترل کننده رشد سلولی موجب بازسازی بافتی خواهند شد. بنابراین نانوپلیمرهای صناعی قابلیت ایجاد ساختارهای سه بعدی لازم برای اثربخش بودن احتمال ایجاد بیماری را دارا هستند و این نوع پلیمرها نهایتاً در بدن تخریب می شوند و در نتیجه اثرات طولانی مدت آنها بر بدن باقی می ماند.هدف نهایی در این مقوله توانایی ایجاد ارگان های پیچده نظیر دریچه های نانوپلیمری قلب، ترکیبات نانوپلیمری برای ایجاد داربست استخوانی و غیره است. از جمله این دستاوردها می توان به تولید غشای متخلخل نانوفیبری مرتجع که قابلیت جایگزینی با بافت قلبی را طی جراحی قلب باز دارا باشد، اشاره کرد. این غشا را می توان همراه آنتی بیوتیک ها، مسکن ها و مواد دارویی در مقادیر پایین مستقیماً به داخل بافت درونی تزریق کرد. تولید محصولات با قابلیت کاربرد مذکور به دلیل وجود بحث های علمی در زمینه درک بهتر رفتار مولکولی آنها به آینده موکول شده است.

● فناوری نانو و دارورسانی
تحقیقات در این زمینه در ارتباط با توسعه ساخت نانوذراتی از داروهای جامد یا انواعی که به وسیله یک پلیمر زیست تخریب پذیر یا زیست سازگار محاط شده باشد و شامل یک ماتریکس در اندازه های میکرومتر یا نانومتر باشد، وجود دارد. این حفاظ پلیمری امکان انتقال دارو را در خون بدون پس زدن آن توسط بدن امکان پذیر می سازد.انکپسوله کردن به وسیله پلیمریزاسیون فاز داخلی، میکروامولسیون پلیمری، پلیمریزاسیون ترکیبی و انتشار امکان پذیر است. در این راستا می توان امیدوار بود که در تحقیقات آینده بتوان ترکیبی از نانو ساختار یک پلیمر زیست تخریب پذیر و زیست سازگار را به همراه یک دارو ایجاد کرد. ساخت هیدروژل های حساس که به وسیله یک پلیمر بتوانند ماتریکس با تخلخل در مقیاس نانو جهت ایجاد یک سامانه دارورسانی هوشمند را ایجاد کند در تحقیقات جایگاه مهمی را داشته است.این ژل های پلیمری در پاسخ به تغییرات جزئی PH، حرارت، شدت و ضعف نور (همانند پاسخگویی میدان الکتریکی یا مغناطیسی) به صورت برگشت پذیر دچار تورم شده و منجر به آزادسازی ماده فعال در فواصل معین و با نظم و توالی خاص خواهند شد.کنترل دقیق آزادسازی دارو از این میکرومخزن ها در صورتی تکمیل خواهد شد که سیستم با یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی یا حساس به PH یا حرارت همراه باشد. هیدروژل متورم شده، در سیستم فوق باعث آزادسازی فرآورده های فعال با یک سرعت دقیق و معین و در نتیجه انتقال آنها در مقادیر مشخص به محل مناسب خواهد شد. برای به دست آوردن پاسخ های مطمئن تر با قابلیت تطبیق دارورسانی بیولوژیک اخیراً مجموعه یی از سیستم های دارورسانی جدید مطابق با موارد زیر در دست بررسی است.ماتریکس های پلیمری متخلخل زیست تخریب پذیر همراه با هیدروژل های حساس به محرک (اشعه UV) حاوی آنزیم یا دارو؛ اندازه این تخلخلات را می توان به وسیله جداسازی میکروفاز، اتصالات شبکه یی داخل ذره یی یا میکروامولسیون در حد نانو کاهش داد. هیدروژل های متخلخل سطحی حساس به محرک دارند که قابلیت تورم یا جمع شدن سریع مستقل از اندازه را دارند. مولکول های مایع از طریق نیروهای مویینگی وارد هیدروژل ها شده که این راه ورود مایعات بسیار سریع تر از انتشار است.گلوله های مغناطیسی محاط شده به وسیله پلیمر ماتریکسی یا هیدروژل ها که در برابر حرارت حساس هستند با کنترل درجه حرارت محیطی این نوع هیدروژل های حساس به حرارت داروی انکپسوله شده به طور دقیق آزاد می شود.با ترکیب سه ویژگی مذکور در بالا یک فرآورده چندلایه یی چندمنظوره (متشکل از هیدروژل های حساس در برابر محرک که در سطح یک پلیمر ماتریکسی هیدروفیل با تخلخلات میکرومتری به وسیله پیوندهای کووالانت یک ماده با قابلیت ایجاد پیوند متقاطع) با روش پلیمریزاسیون به وسیله اشعه UV تولید شده است. میکروامولسیون ها متشکل از مخلوطی از دو فاز غیرقابل اختلاط مثل آب و روغن هستند که با افزودن سورفکتانت به صورت مخلوط درآمده اند. با افزودن مقدار کمی از سورفکتانت و آب به مقدار زیادی از روغن قادر به ایجاد میسل های معکوس هستیم که از قطرات آب در اندازه نانو که به وسیله لایه یی از سورفکتانت پوشانده شده ، تشکیل شده اند.با بهره وری از فناوری نانو می توان امکانات جدیدی در علم و فن پزشکی به دلیل ایجاد مواد در اندازه مولکول های بیولوژیک مانند آنزیم ها و گیرنده ها ایجاد کرد. استفاده از این فناوری به ویژه در سیستم های دارورسانی نوین و بازسازی و تحریک رشد بافت ها است.مواد ماتریکسی جدید توانایی تحریک سیستم های حساس و پاسخگو را دارا هستند. تلاش جهت توسعه تولید این مواد در مقادیر بالا همچنان ادامه دارد.

 

[mahdi.adelinasab]

پاسخهای سلولی به محیط نانوالیافی

پاسخهای سلولی به محیط نانوالیافی

سلول‌ها دربرابر سختی و انعطاف‌ناپذیری مکانیکی، نانوتوپولوژی سه بعدی زیرلایه‌ها و همچنین محدودیت زمانی و مکانی محرک‌های برون سلولی، پاسخ شدیدی می‌دهند. در این مقاله خلاصه‌ای از آخرین پیشرفت‌ها در زمینه کشف و طراحی محیط‌های زیست‌سازگار نانوالیافی برون‌سلولی در سطح مولکول و سلول (که در مهندسی بافت وتحقیقات زیست‌شناسی کاربرد دارد) ارائه می‌شود و به این ترتیب زمینه توسعه بیشتر داربست‌های نانوالیافی سه بعدی به منظور تعیین پاسخ خاص سلول در این کاربردها فراهم می‌شود.
سلول‌ها در محیط زنده بدن توسط یک ماتریکس شبکه‌ای برون‌سلولی و سه بعدی از نانوالیاف ۱(ECM) دارای لیگاندهای شیمیایی متفاوت که با پذیرنده‌های سطح سلول بر‌هم‌کنش می‌کنند، نگهداری می‌شوند [۴-۱]. آنچه باعث ارتباط ECM و سلول می‌شود فرایند دینامیکی و پیچیده‌ای است که طی آن خواص شیمیایی و فیزیکی ECM، موجب پاسخ‌های سلولی متفاوتی می‌شوند [۵ و۱]. بنابر این برای آنکه یک بستر مهندسی شده دقیقاً همان کار ECM طبیعی را انجام دهد، باید همان (نقشه) نانوالیافی و سه بعدی بودن و نیز فراوانی موتیف‌های شیمیایی آن را دربرداشته باشد [۷و۶]. پیشرفت فناوری‌نانو در سال‌های اخیر امکان طراحی و مهندسی مواد زیستی جدید با این سطح از پیچیدگی را فراهم کرده است [۹-۷].

استفاده از این مواد زیستی پیچیده برای کاربردهای خاص توسط مصرف کننده نهایی، مستلزم انجام یک فرایند محاسباتی بازگشتی برای درک مکانیسم هدایت کننده برهم‌کنش‌های سلول- شبکه می‌باشد، تا به این ترتیب بتوان خواص ماده زیستی را کنترل کرد و در نهایت به پاسخ‌های سلولی مناسب و دلخواه دست یافت . در اینجا ما بر اهمیت ویژگی‌های نانوالیاف سه بعدی محیط برون‌سلولی و نقش آن در تنظیم پاسخ‌های سلولی دارای تفکیک موضعی یا زیرسلولی به روشی وابسته به زمان- مکان تأکید می‌کنیم. همچنین فناوری‌های نوین ساخت و تعیین مشخصات محیط‌های نانوالیافی در کاربردهای مرتبط با آن، از دیگر مواردی است که در این مقاله بیشتر به آن توجه می‌شود.

● تأثیر محیط نانوالیافی بر پیام‌رسانی و فنوتیپ۱ سلول

سلول‌ها از طریق پروتئین‌های سطحی خود از قبیل اینتگرین‌ها۲ با محیط نانوالیافی خارجی پیرامون خود برهم‌کنش می‌کنند و در اثر این برهم‌کنش‌ها، مسیرهای مختلف سیگنال‌دهی که فرایندهای سلولی از قبیل شکل‌ سلول، تحرک‌پذیری و تكثیر سلولی را تنظیم می‌کند، فعال می‌شوند (شکل ۲). آگاهی از این پاسخ‌های (زیستی) ویژه، که با جنبه‌های مختلفی از محیط نانوالیافی تحریک می‌شوند- در هدایت طرح‌ها و مهندسی بستر‌های جدید که به تقلید از برهم‌کنش‌های سلول- ماتریکس داخل بدن، ساخته می‌شود اهمیت بسزایی دارد.

● تأثیر توپوگرافی سه بعدی

برخلاف بستر‌های دوبعدی پهن و صلب، این نانوالیاف سه بعدی امکان برهم‌کنش سلول‌ها با یک حلقه سه‌بعدی انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کند. این نانوالیاف سه بعدی همچنین باعث ایجاد فتوتیپ‌های سلولی مشابه فتوتیپ‌های درون بدن می‌شود و سلولی شکل‌زایی بافت را نیز افزایش می‌دهند [۱۳-۱۰]. رویدادهای مولکولی مربوط به برهم‌کنش سلول‌ها با این نانوالیاف سه‌بعدی نیز متفاوت از موارد مشابه در بستر‌های دوبعدی از قبیل ظرف‌های کوچک مصنوعی کشت میکروب می‌باشد. سه بعدی بودن این نانوالیاف به تنهایی در فعال کردن مسیر تبدیل سیگنال با واسطه Rac۳ داخل فیبرو بلاست‌هایNIH۳T۳ و سلول‌های عادی کلیه موش، نقش دارد، به خصوص اگر روی نانوالیاف الکتروریسی۴ شده و در غیاب ماکرومولکول‌های ECM کشت شوند [۱۴].
حرکت فیبروپلاست در شبکه‌های کلوژنی سه بعدی (که در شکل‌گیری دوباره کلوژن طی روند بهبودی زخم اهمیت دارد)، ‌تا حد بسیار زیادی به زنجیر سنگین میوزین غیرعضلانی Nanomuscle Myosine Heavy Chain II-B۱ بستگی دارد. این در حالی است که حرکت سلول روی سطوح دو بعدی صلب از این ویژگی برخوردار نیست [۱۵]. پاکسیلین (در چسبندگی موضعی) و اینتگرین (در چسبندگی رشته‌ای)، برخلاف بستر دوبعدی با دو ناحیه چسبندگی مجزای موضعی و رشته‌ای کلاسیکی روی آن، حالت سه بعدی موضعی شده مشترکی پیدا می‌کنند[۱۶]. اعمال فشار مکانیکی و پهن کردن مصنوعی ماتریکس‌های نانوالیافی سه بعدی به منظور ایجاد شبکه‌های دو بعدی صاف مجازی، باعث از دست رفتن مشخصه موضعی‌سازی مشترک سه‌گانه اینتگرین، پاکسیلین و فیبرونکتین موجود در چسنبدگی‌های شبکه سه‌بعدی می‌شود [۱۶]. لذا نقشه‌برداری نانوالیافی سه بعدی، تأثیر بسیار زیادی بر برهم‌کنش‌های سلول-ECM در سطح مولکولی خواهد داشت.

● تأثیر خواص مکانیکی

سلول‌ها به لیگاندهای شیمیایی و نیز محرک‌های مکانیکی متنوع محیط پیرامونی خارجی پاسخ می‌دهند [۱]. پخش کردن سلول‌ها روی بستر‌های صلب باعث تکثیر آنها می‌شود و lineage differenrition تمایز دودمان و سلول‌های بنیادی (stemcell) را تغییر می‌دهد [۱۹]. سلول‌ها به نیروهای حاصل از تنش برشی و فشردگی حساس بوده و در نتیجه آن مدل‌سازی مجدد و خواص مکانیکی ساختار بافت تحت تأثیر قرار خواهد گرفت [۲۳-۲۰]. در وضعیت سه بعدی، باز هم سلول‌ها به صلب بودن نانوالیاف حساس هستند [۲۵ و ۲۴و ۱۶]. نیروهای خارجی هم از طریق مسیر ارتباطی ECM- اینتگرین- سیتواسکلتون۲ آرایش چسبندگی موضعی۳ که تیروزین کیناز فسفاتاز و كینازهایSRC SFKS را تحریک کرده و موجب فعال‌‌سازی پروتئین‌های G کوچک و کیناز‌های MAP۴ و در نهایت تنظیم رویدادهای پایین دستی سلولی می‌شوند [۲۶]. باید توجه داشت که کمی کردن سیستماتیک این رویدادها و نیز ایجاد مدل‌هایی از پاسخ سلول به خواص مکانیکی و شیمیایی نانوالیاف به منظور هدایت روند توسعه محیط‌های نانوالیافی سه بعدی به سمت مصرف و کاربرد، اهمیت دارد.

 

[mahdi.adelinasab]

ادامه----->

ادامه----->

● تأثیر محدودیت‌های زمانی- مکانی بر محرک‌‌های برون‌سلولی

پاسخ‌های سلولی به خواص فیزیکی و شیمیایی نانوالیاف سه بعدی، غالباً به مکان و زمان بستگی دارد [۲۹-۲۷]. هنگامی که سلول‌های بنیادی عصبی و سلول‌های ماهیچه‌ای صاف۵ به روش الکتروریسندگی کشت شوند، خود را در امتداد این الیاف کشیده و جهت می‌دهند [۳۱ و ۳۰]. حساسیت نانوالیاف به ترتیب مکانی، احتمالاً ناشی از برهم‌کنش‌های موضعی سلول‌ها با محرک‌های برون‌سلولی است که در سطح تفکیک زیرسلولی روی می‌دهند. اغلب پروتئین‌های ساختاری یا سیگنال دهنده‌ای که در حسگری صلب، (تکیه‌گاه ماتریکسی برون سلولی) و مهاجرت سلولی حضور دارند، در نقاط خاصی از سلول از قبیل نوک جلویی فیبرو بلاست‌های مهاجر یا نقاط مربوط به چسبندگی موضعی روی می‌دهد و در نقاط دیگر و حتی در فاصله ۵/۰ میکرومتر دورتر، چنین پدیده‌ای روی نمی‌دهد [۲۸].
یک اتصالECM- اینتگرین- سیتواسکلتون منفرد می‌تواند در نقطه معینی از سلول و در پاسخ به نیرویی خارجی از سلول و بدون تحت تأثیر قرار دادن اتصال مجاور ایجاد شود[ ۳۲ و۳۳]. خوشه شدن مولکول‌های اینتکرین و تشکیل چسبندگی موضعی و الیاف فشاری، تنها هنگامی روی می‌دهد که تعداد کافی از جایگاه‌هایRGD، داخل ناحیه مجزایی با اندازه کوچکتر از ۷۰ نانومتر جمع شوند [۲۹-۲۷].
همچنین مولکول‌های همراه با اتصالات اینتگرین- سیتواسکلتون موجود در چسبندگی سلول- ECM، به سخت بودن این نانوالیاف ECM حساس هستند [۳۸-۳۵و ۳۲] و طی چرخه زندگی نقاط چسبندگی، همراه با گذشت زمان، تغییر می‌کنند [۳۴]. شکل‌گیری تماس‌های سلولی با ECM یک فرایند پیوسته نیست اما شامل چرخه‌های انقباض و رها شدن است. دانشمندان اخیراً نشان داده‌اند که وجود نانوالیاف خارجی درهپاتوسیت‌ها (سلول‌های کبدی) در زمان‌ها و توالی‌‌های مختلف از کشت ساندویچی، پاسخ‌های متفاوتی را نشان می‌دهد [۳۹].
پس می‌توان گفت سلول‌ها نسبت به محدودیت‌های زمانی و مکانی محرک‌های محیط خارجی پیرامونی حساس هستند. به نظر می‌رسد مجموع پاسخ‌های موضعی سلول به این محرک‌های برون‌سلولی طی زمان، بتواند به تعیین شکل و بیان ژنی سلول کمک نماید [۴۰ و ۲۶]. بنابراین مهندسی و درک پاسخ‌های موضعی سلولی به توزیع زمانی و مکانی محرک‌های برون سلولی، در توسعه بیشتر محیط‌های نانوالیافی سه بعدی پیرامونی اهمیت بسیاری دارد.

● تأثیر محرک‌های برون‌سلولی بر پاسخ‌های موضعی سلولی

با توجه به تحریک حاصل از محرک‌های برون سلولی (جدا از هم) و به حد کافی قوی، سلول‌ها در ابتدا به طور موضعی و سپس همگی به این محرک‌ها پاسخ می‌دهند. شبكه آندوپلاسمی ER۱ و بسیاری دیگر از ترکیبات مرتبط با شبكه آندوپلاسمی، معمولاً به صورت یکنواخت و با ساختاری شبکه‌ مانند داخل سیستوپلاسم سلول و در یك محیط كشت دو بعدی توزیع می‌شوند . این ترکیبات در صورت قرار گرفتن در معرض تحریکات خارج از سلول، تماس سلولی، تکثیر و یا مهاجرت، می‌توانند به صورت پویا آرایشی دوباره پیدا كنند.
هنگامی که دانه‌های پوشش شده با فیبرزنكتینبا سطح بالایی سلول برهم‌کنش می‌کند، برخی از پروتئین‌های غشایی ER از قبیل کینکتین، پروتئین همراه با گیرنده(RAP)، کالرتیکولین۱ [۴۱] و فاكتور طویل كننده یوركاریوتی به سرعت به محل ترکیبات اینتگرین‌دار AC که به صورت موقت در اطراف بید پوشش شده با فیبرونكتین شکل گرفته‌اند منتقل می‌شوند. این ترکیبات به فیبرونکتین پخش شده در محلول یا فیبرونکتینی که به طور یکنواخت روی یک سطح دوبعدی بزرگ پخش شده باشد، پاسخ نمی‌دهند (شکل ۴). پژوهش دانشمندان نشان داده شده است که از طریق کینکتین باعث نگه داشتن کل ترکیب EEF روی غشاء ER شده و سنتز پروتئین‌های ‌غشاء/ ترشحی۲ و سیتوزولیک۳ را تنظیم می‌کند [۴۳].
به علاوه محققان مشاهده کردند که ریبوزوم‌ها و MRNA، IACهای اطراف دانه‌های پوشیده شده از فیبرونکتین را هدف گرفته و قبل از آنکه تغییرات نسخه‌برداری را بتوان ردیابی نمود، سنتز پروتئینی سریعی روی می‌دهد [۴۵و ۴۱]. بنابر این می‌توان سنتز موضعی پروتئین‌ها را یک فرایند سلولی کلی فرض نمودکه در پاسخ به نشانه‌ها و محرک‌های قوی، گسسته و موضعی شده خارج از سلول به روشی وابسته به مکان و احتمالاً زمان روی می‌دهد (شکل ۵). بر اساس این فرضیه ترجمه محلی۴ (LTH)، کارخانه سنتز پروتئین یک سلول- شامل ریبوزوم‌ها، MRNA و تنظیم کننده‌های انتقال (از قبیل میکرو RNA) به محلی نزدیک محرک خارجی که می‌تواند دانه‌های پوشیده شده با فیبرونکتین [۴۱]، نیروی وارد شده توسط انبرک‌های نوری [۴۶] یا دیگر نقاط اتصال زیر لایه صلب باشند- حرکت می‌کند.
هنگامی که محرک خارجی گسسته و مقدار آن بالاتر از یک حد آستانه معین باشد، پروتئین‌هایی که قبلاً ساخته شده‌اند، از حوضچه‌های درون سلولی به محلی که سلول به طور موضعی به محرک‌ خارجی، پاسخ می‌دهد حرکت کرده و ترجمه موضعی مورد بحث هم احتمالاً مکمل این حرکت خواهد بود. برای انجام این کار لازم است توزیع و شدت موضعی محرک‌های خارجی موجود در محیط‌های نانوالیافی سه بعدی به دقت و در ابعاد زیرسلولی (میکرون یا نانومقیاس) مهندسی شوند. این کار خصوصاً با توجه به آنکه در سال‌های آینده دانشمندان به اطلاعات کمی و دقیقی برای آزمایش HTL دست می‌یابند، ضرورت بیشتری می‌یابد. به عنوان مثال، ویژگی‌های نانومقیاس روی زیرلایه‌های مهندسی شده، (از قبیل لیگاندهایی که الگودهی آنها به جای یک لایه یکنواخت، به طور گسسته است) می‌تواند نشان‌دهنده پاسخ‌های شدیدتر سلول در نقاط تحریک شده باشد.

 

[mahdi.adelinasab]

اادامه----->

اادامه----->

● تأثیر محدودیت‌های زمانی- مکانی بر محرک‌‌های برون‌سلولی

پاسخ‌های سلولی به خواص فیزیکی و شیمیایی نانوالیاف سه بعدی، غالباً به مکان و زمان بستگی دارد [۲۹-۲۷]. هنگامی که سلول‌های بنیادی عصبی و سلول‌های ماهیچه‌ای صاف۵ به روش الکتروریسندگی کشت شوند، خود را در امتداد این الیاف کشیده و جهت می‌دهند [۳۱ و ۳۰]. حساسیت نانوالیاف به ترتیب مکانی، احتمالاً ناشی از برهم‌کنش‌های موضعی سلول‌ها با محرک‌های برون‌سلولی است که در سطح تفکیک زیرسلولی روی می‌دهند. اغلب پروتئین‌های ساختاری یا سیگنال دهنده‌ای که در حسگری صلب، (تکیه‌گاه ماتریکسی برون سلولی) و مهاجرت سلولی حضور دارند، در نقاط خاصی از سلول از قبیل نوک جلویی فیبرو بلاست‌های مهاجر یا نقاط مربوط به چسبندگی موضعی روی می‌دهد و در نقاط دیگر و حتی در فاصله ۵/۰ میکرومتر دورتر، چنین پدیده‌ای روی نمی‌دهد [۲۸].
یک اتصالECM- اینتگرین- سیتواسکلتون منفرد می‌تواند در نقطه معینی از سلول و در پاسخ به نیرویی خارجی از سلول و بدون تحت تأثیر قرار دادن اتصال مجاور ایجاد شود[ ۳۲ و۳۳]. خوشه شدن مولکول‌های اینتکرین و تشکیل چسبندگی موضعی و الیاف فشاری، تنها هنگامی روی می‌دهد که تعداد کافی از جایگاه‌هایRGD، داخل ناحیه مجزایی با اندازه کوچکتر از ۷۰ نانومتر جمع شوند [۲۹-۲۷].
همچنین مولکول‌های همراه با اتصالات اینتگرین- سیتواسکلتون موجود در چسبندگی سلول- ECM، به سخت بودن این نانوالیاف ECM حساس هستند [۳۸-۳۵و ۳۲] و طی چرخه زندگی نقاط چسبندگی، همراه با گذشت زمان، تغییر می‌کنند [۳۴]. شکل‌گیری تماس‌های سلولی با ECM یک فرایند پیوسته نیست اما شامل چرخه‌های انقباض و رها شدن است. دانشمندان اخیراً نشان داده‌اند که وجود نانوالیاف خارجی درهپاتوسیت‌ها (سلول‌های کبدی) در زمان‌ها و توالی‌‌های مختلف از کشت ساندویچی، پاسخ‌های متفاوتی را نشان می‌دهد [۳۹].
پس می‌توان گفت سلول‌ها نسبت به محدودیت‌های زمانی و مکانی محرک‌های محیط خارجی پیرامونی حساس هستند. به نظر می‌رسد مجموع پاسخ‌های موضعی سلول به این محرک‌های برون‌سلولی طی زمان، بتواند به تعیین شکل و بیان ژنی سلول کمک نماید [۴۰ و ۲۶]. بنابراین مهندسی و درک پاسخ‌های موضعی سلولی به توزیع زمانی و مکانی محرک‌های برون سلولی، در توسعه بیشتر محیط‌های نانوالیافی سه بعدی پیرامونی اهمیت بسیاری دارد.

● تأثیر محرک‌های برون‌سلولی بر پاسخ‌های موضعی سلولی

با توجه به تحریک حاصل از محرک‌های برون سلولی (جدا از هم) و به حد کافی قوی، سلول‌ها در ابتدا به طور موضعی و سپس همگی به این محرک‌ها پاسخ می‌دهند. شبكه آندوپلاسمی ER۱ و بسیاری دیگر از ترکیبات مرتبط با شبكه آندوپلاسمی، معمولاً به صورت یکنواخت و با ساختاری شبکه‌ مانند داخل سیستوپلاسم سلول و در یك محیط كشت دو بعدی توزیع می‌شوند . این ترکیبات در صورت قرار گرفتن در معرض تحریکات خارج از سلول، تماس سلولی، تکثیر و یا مهاجرت، می‌توانند به صورت پویا آرایشی دوباره پیدا كنند.
هنگامی که دانه‌های پوشش شده با فیبرزنكتینبا سطح بالایی سلول برهم‌کنش می‌کند، برخی از پروتئین‌های غشایی ER از قبیل کینکتین، پروتئین همراه با گیرنده(RAP)، کالرتیکولین۱ [۴۱] و فاكتور طویل كننده یوركاریوتی به سرعت به محل ترکیبات اینتگرین‌دار AC که به صورت موقت در اطراف بید پوشش شده با فیبرونكتین شکل گرفته‌اند منتقل می‌شوند. این ترکیبات به فیبرونکتین پخش شده در محلول یا فیبرونکتینی که به طور یکنواخت روی یک سطح دوبعدی بزرگ پخش شده باشد، پاسخ نمی‌دهند (شکل ۴). پژوهش دانشمندان نشان داده شده است که از طریق کینکتین باعث نگه داشتن کل ترکیب EEF روی غشاء ER شده و سنتز پروتئین‌های ‌غشاء/ ترشحی۲ و سیتوزولیک۳ را تنظیم می‌کند [۴۳].
به علاوه محققان مشاهده کردند که ریبوزوم‌ها و MRNA، IACهای اطراف دانه‌های پوشیده شده از فیبرونکتین را هدف گرفته و قبل از آنکه تغییرات نسخه‌برداری را بتوان ردیابی نمود، سنتز پروتئینی سریعی روی می‌دهد [۴۵و ۴۱]. بنابر این می‌توان سنتز موضعی پروتئین‌ها را یک فرایند سلولی کلی فرض نمودکه در پاسخ به نشانه‌ها و محرک‌های قوی، گسسته و موضعی شده خارج از سلول به روشی وابسته به مکان و احتمالاً زمان روی می‌دهد (شکل ۵). بر اساس این فرضیه ترجمه محلی۴ (LTH)، کارخانه سنتز پروتئین یک سلول- شامل ریبوزوم‌ها، MRNA و تنظیم کننده‌های انتقال (از قبیل میکرو RNA) به محلی نزدیک محرک خارجی که می‌تواند دانه‌های پوشیده شده با فیبرونکتین [۴۱]، نیروی وارد شده توسط انبرک‌های نوری [۴۶] یا دیگر نقاط اتصال زیر لایه صلب باشند- حرکت می‌کند.
هنگامی که محرک خارجی گسسته و مقدار آن بالاتر از یک حد آستانه معین باشد، پروتئین‌هایی که قبلاً ساخته شده‌اند، از حوضچه‌های درون سلولی به محلی که سلول به طور موضعی به محرک‌ خارجی، پاسخ می‌دهد حرکت کرده و ترجمه موضعی مورد بحث هم احتمالاً مکمل این حرکت خواهد بود. برای انجام این کار لازم است توزیع و شدت موضعی محرک‌های خارجی موجود در محیط‌های نانوالیافی سه بعدی به دقت و در ابعاد زیرسلولی (میکرون یا نانومقیاس) مهندسی شوند. این کار خصوصاً با توجه به آنکه در سال‌های آینده دانشمندان به اطلاعات کمی و دقیقی برای آزمایش HTL دست می‌یابند، ضرورت بیشتری می‌یابد. به عنوان مثال، ویژگی‌های نانومقیاس روی زیرلایه‌های مهندسی شده، (از قبیل لیگاندهایی که الگودهی آنها به جای یک لایه یکنواخت، به طور گسسته است) می‌تواند نشان‌دهنده پاسخ‌های شدیدتر سلول در نقاط تحریک شده باشد.

 

[mahdi.adelinasab]

اادامه----->

اادامه----->

● ساخت محیط‌های نانوالیافی سه بعدی

در حال حاضر ساخت نانوالیاف عمدتاً به دو روش الکتروریسی و پپتیدهای خودآرا (SAP) انجام می‌شود اما در اینجا به برخی دیگر از فناوری‌ها در این زمینه که بر اساس جداسازی ترکیبات پلی‌الکترولیت و جداسازی فازی انجام می‌شود هم اشاره می‌شود. در اکثر این روش‌ها که در مهندسی بافت کاربرد دارد سعی می‌شود، بیشتر و بهتر با ECM طبیعی عمل شود. همچنین قابلیت کنترل دقیق خواص مکانیکی و شیمیایی در این روش‌ها، امکان بررسی سیستماتیک و کمی پاسخ‌های سلولی به محیط‌های سه بعدی نانوالیافی را با دقتی در حد زیر سلولی فراهم می‌سازد و این مسئله به سهم خود ما را از طرح مواد زیستی آگاه می‌کند.

● ریسندگی الکتریکی

ریسندگی الکتریکی مواد پلیمری به دلیل تنوع زیادی که دارد به عنوان یک ابزار راحت برای ساخت داربست‌های نانوالیافی پدید آمده است [۴۹ و ۴۸]. در این روش از ولتاژهای بالا (۲۰-۵ کیلو ولت) برای باردار کردن محلول‌های پلیمری- که از یک نازل خارج می‌شوند، سپس به سمت یک سر بسترا كه روی زمینه جمع شده است شتاب داده می‌شوند- استفاده می‌شود. در این روش حلال موجود در جِت محلول پلیمری تبخیر شده و در نتیجه توده‌ای بافته نشده از نانوالیاف پلیمری روی این سربسترا جمع و روی زمینه تشکیل می‌شود [۵۰]. خواص نانوالیاف به دست آمده از این روش (از قبیل قطر نانو رشته) را می‌توان به آسانی و از طریق دستکاری محلول پلیمری و پارامترهای عملی مربوط به ریسندگی الکتریکی کنترل نمود [۴۸ و۵۰ و ۵۱].

ساخت مدل‌های سه بعدی ECM برای ایجاد ارتباط کمی بین پاسخ‌های سلولی نسبت به محیط‌های نانوالیافی سه بعدی کاملاً تعریف شده پیرامون سلول و نیز استفاده در مهندسی بافت انجام می‌شود. این نانورشته‌ها را می‌توان با ریسندگی الکتریکی پلیمرهای مصنوعی و یا مواد زیستی طبیعی به دست آورد. و سپس به منظور افزایش زیست‌سازگاری و کارکرد سلولی، آنها را با موتیف‌های شیمیایی وظیفه‌‌دار كرد (functionalized] (۵۳]. داربست‌‌های نانوالیافی به دست آمده در این روش، با موفقیت در کاشت انواع مختلفی از سلول‌های مورد استفاده در مهندسی بافت (از قبیل سلول‌های غضروف، استخوان، رگ‌های خونی شریانی یا سرخرگ‌ها، بافت قلب و تاندون‌ها) به‌کار برده شده است.
همچنین از دنبال هم قرار دادن این نانورشته‌ها می‌توان مسیری را ایجاد نمود که سلول‌ها در آن راستا قرار گیرند [۵۴ و۵۵]. به طور كلی نانوفیبرهای تولید شده به روش ریسندگی الكتریكی یك ماده پوششی قوی (mat) صاف ایجاد می‌كنند كه به صورت سه بعدی محدود شده‌اند و به علاوه اندازه کوچک حفره این شبکه‌ها، باعث برون دقت (infiltero tion) سلول‌ها می‌شود. این مشکلات را می‌توان با ریسندگی الکتریکی این نانوالیاف روی داربست‌های میکروالیافی و استفاده از نازل‌های چندگانه برای رسوب‌دهی لایه‌های نانورشته‌ای [۵۸] یا ریسیدن توأم سلول و رشته‌ها، برطرف نمود [۵۹].

● پپتیدهای خودآرا

روش دیگر طراحی و مهندسی نانورشته‌ها، بر اساس آرایش‌‌بندی الیگوپپتیدهای۱ مصنوعی به منظور ایجاد شبکه‌ای الیافی برای حفظ وضعیت سه بعدی سلول‌ها است. پپتیدهای مصنوعی، بلوک‌های ساختمانی ایده آلی برای ساخت داربست‌های نانوالیافی سه بعدی به شمار می‌آیند چرا که اولاً زیست سازگار بوده و ثانیاً می‌توان آنها را طوری طراحی نمود که موتیف‌هایی از قبیل پپتیدهای RGP (مشابه آنچه ECMهای طبیعی یافت می‌شود) در تنظیم فتوتیپ‌های سلولی، نقش داشته باشد [۶۰ و ۶۱]. علاوه بر اینها به مرور زمان و با افزایش اطلاعات دانشمندان از پیچ‌خوردگی پروتئین و برهم‌کنش‌های پروتئین- پروتئین، طراحی الیگوپپتیدهای خودآرا آسان‌تر شده است [۶۲]. با تحریک این SAPها شبکه‌ای از نانوالیاف سه بعدی در شرایط فیزیولوژیکی پیرامون سلول‌ها شکل می‌گیرد و به این ترتیب یکی از مشکلات اصلی مربوط به استفاده از داربست‌های نانوالیافی پیش ساخته برطرف می‌شود.

SAP ها را می‌توان از اسیدهای آمینه طبیعی [۶۲ و ۶۰و ۹و ۸] یا مصنوعی [۶۳] ساخت؛ اگر چه که حالت اول معمولاً بیشتر از حالت دوم در همانندسازی موتیف‌های پروتئینی طبیعی (که با سلول‌ها برهم‌کنش‌ می‌کنند) کاربرد دارد. SAPهای محیط نانوالیافی خارجی پیرامون سلول بر اساس ترکیبات مارپیچی یا ورقه‌ای در سطح ساختار ثانویه شکل می‌گیرند. این مواد به دلیل ضعف استحکام مکانیکی غالباً مستقیماً به صورت وسایل حمل سلولی یا دارورسانی به بیمار داده می‌شوند [۶۴] یا در داربست‌های میکرورشته‌ای برای مهندسی بافت و کاربردهای سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
محققان پیش‌بینی می‌كنند که در آینده "چارچوب طراح" با میکرو محیط‌های تنظیم کننده دقیقی برای نگه داشتن انواع مشخصی از سلول‌ها به وجود آید [۶۶]. این داربست‌ها به ویژه در تعیین پاسخ‌های سلول به محیط‌های نانوالیاف سه بعدی جالب توجه هستند. به عنوان مثال داربست‌های SAP می‌توانند میکرو محیط‌های ساخت رگ که سلول‌های آندوتلیومی عروق کوچک در آن ساخته می‌شود را ۲ بهتر از کلاژن شبیه‌سازی كنند و در نتیجه مدل خوبی برای درک فرآیند رگ‌زایی ۳ ساختارهای ایجاد شده با مهندسی بافت فراهم نمایند [۶۷]. فرآیند رگ‌سازی برای وادار کردن سلول‌های تولید رگ‌های خونی در غذارسانی به ساختارهای بزرگ ایجاد شده با مهندسی بافت، ضروری است و یکپارچه شدن این ساختار با بافت میزبانی که در آن کاشته می‌شود، را تسهیل می‌كند.

● جداسازی ترکیبات کمپلکس پلی‌الکترولیت

یک محیط نانوالیافی را می‌توان با جداسازی ترکیبات الکترولیت‌های با بار مخالف- روشی که در ابتدا برای ماکرو یا میکرو کپسوله کردن سلول‌ها به‌کار می‌رفت- نیز ساخت [۷۰-۶۸]. استفاده از این روش در شرایط مربوط به محیط‌های آبی ملایم هم امکان‌پذیر است و بنابراین می‌توان آن را در شکل‌گیری اولیه نانورشته‌ها و در خود in situ سلول به کار برد.
دانشمندان قبلاً تعداد زیادی از این پلی‌الکترولیت‌ها را برای کپسوله کردن سلول توسعه داده و ارزیابی نموده بودند [ ۶۹ و ۶۸]. نانوالیاف کمپلکس جدا شده به این روش معمولاً استحکام مکانیکی ندارند و بنابر این قرار دادن آنها در چارچوب‌های سه بعدی که در مهندسی بافت به کار می‌روند، دشوار است. این نانوالیاف را به آسانی می‌توان در ساختارهای کشت سلولی از قبیل داربست‌های میکروالیافی سه بعدی و کانال‌های میکروسیالی که برای تثبیت و نگه‌داری سلول‌های حساس و وابسته به تکیه‌گاه به کار می‌روند، مورد استفاده قرار داد [۷۲ و ۷۱]. در روش جایگزین، نانورشته‌ها ممکن است مستقیماً در میکرورشته‌ها قرار داده شده و از ویژگی‌ نانورشته‌ای آنها برای نگهداری نمونه‌های کشت شده انواع مختلفی از سلول‌های *****داران استفاده شوند [۷۵ و ۷۲].

 

[mahdi.adelinasab]

اادامه----->

اادامه----->

● جداسازی فاز

از روش جداسازی فاز- که معمولاً برای ساخت داربست‌های میکروالیافی به‌کار می‌رود- می‌توان در ساخت داربست‌های نانوکامپوزیتی نیز استفاده كرد. نواحی پلیمری و غنی از حلال یک محلول پلیمری را می‌توان یا با سرد کردن محلول و یا با تعویض غیرحلال با حلال از هم جدا نمود. با استفاده از روش القایی جداسازی فاز گرمایی و با پلی(ال – لاتیك اسید)، یک داربست نانوالیافی سه بعدی (رشته‌هایی به قطر ۵۰۰-۵۰ نانومتر) ساخته می‌شود [۷۶]. این داربست دارای نسبت‌ سطح به حجم و تخلخل قابل کنترل بالا (تا ۵/۹۸ درصد) است و خواص مکانیکی تعریف شده‌ای هم دارد. اخیراً دانشمندان به روشی دست یافته‌اند که با استفاده از آن می‌توان داربست‌هایی با شکل و اندازه دلخواه ساخت [۷۷].
در این روش که SFF (ساخت معکوس شکل آزاد جامد) نامیده می‌شود، می‌توان بافت داربست و ابعاد آن را با یکپارچه کردن گوی‌های پارافینی برای اتصال حفره‌ها کنترل كرد. به این ترتیب امکان ساخت داربست‌های با شکل و اندازه دلخواه فراهم می‌شود. توزیع نانوالیاف و یکنواختی آنها به قابل کنترل بودن فرآوری آنها بستگی دارد. ساخت این داربست‌ که طی یک فرایند پنج مرحله‌ای انجام می‌شود، تاکنون تنها در پلیمرهای معدودی چون پلی‌ (L- لاكتیك اسید) و ترکیبات آن به‌کار رفته است [۴۹].

● تعیین مشخصات محیط نانوالیافی سه بعدی

با توجه به پیشرفت‌های حاصل شده درروش‌های میکروسکوپی و پروب‌های فلورسانس، امکان تصویربرداری دینامیک از شبکه‌های نانوالیافی سه بعدی و برهم‌کنش‌ آن با سلول‌ها فراهم شده است. معمولاً پروپ‌های فلورسانس با تغییر دادن خواص ماتریکس یا برهم‌کنش با سلول‌های یک سیستم بیولوژیکی می‌توانند تا حد معینی در آن تداخل ایجاد كنند. دانشمندان در حال حاضر سعی زیادی دارند تا بتوانند رنگ‌های فلورسانس با خاصیت تهاجمی کمتر و پروتئین‌هایی اختصاصی‌تر ایجاد كنند و از آن برای مشخص كردن خواص شیمیایی محیط سلولی استفاده نمایند. برای کمی نمودن ساختار دینامیک ساختاری ECM بدون استفاده از پروپ‌های فلورسانس می‌توان از روش‌های تصویربرداری مختلف و روش‌های حسگری نیرو از قبیل میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و انبرک‌های نوری استفاده نمود که قابلیت بالایی برای اندازه‌گیری خواص مکانیکی دارند.
● تعیین مشخصات ساختاری با استفاده از روش‌های تصویربرداری
محققان برای مشاهده برهم‌کنش‌های سلولی با شبکه‌های نانوالیافی سه بعدی از میکروسکوپ DIC استفاده می‌كنند که نوعی روش تصویربرداری افزایش دهنده وضوح به شمار می‌آید [۱۰۵]. از آنجا كه تصاویر دوبعدی به دست آمده از این روش به عمق‌های متفاوت مربوط می‌شوند، به لحاظ ذاتی ایجاد تصاویر سه بعدی بر اساس تصویرهای DIC حتی پس از انجام فرآیند انطباق تصاویر هم دشوار است. در میکروسکوپ بازتابی یا برگشت پراش هم کانون از خواص مربوط به پراش نور از مولکول‌های نانوالیافی ECM برای ایجاد تصویر استفاده می‌شود. از این روش می‌توان برای تصویربرداری از رشته‌های کلاژنی و برهم‌کنش سلول- ECM استفاده نمود [۱۰۶، ۵]. شکل (۶ ) تصویری از یک شبکه کلاژنی سه بعدی است که با استفاده از میکروسکوپ هم کانون برگشت پراش نوری با طول موج ۴۸۸ نانومتر به دست آمده است.

در تصویربرداری سه بعدی به دلیل ایجاد پراش نور از عمق کانونی بیش از۳۰ ،کیفیت و میزان تفکیک تصویر بسیار بد است. دانشمندان برای رفع این مشکل از تحریک چند طول موجی استفاده می‌کنند تا به این ترتیب به تفکیک و عمق نفوذ مناسب دست یابند [ ۱۰۷]. برای افزایش وضوح تصویرها می‌توان از تزئینات فلزی از قبیل نانوذرات طلا در نمونه استفاده نمود [۱۰۸]. SHG (تولید هماهنگ مرحله دوم) یک فرآیند نوری مرتبه دوم غیرخطی است که طی آن دو فوتون به طور به هم پیوسته، به صورت یک فوتون واحد با انرژی دوبرابر پراکنده می‌شوند. SHG برخلاف فلورسانس یک روش غیرجذبی است و هیچ آسیب فوتوشیمیایی‌ای به نمونه نمی‌رسد. برای اولین بار از SHG در یک میکروسکوپ نوری برای مشاهده ساختارهای میکروسکوپیک بلور استفاده شد [۱۰۹]. همچنین دانشمندان توانسته‌اند با استفاده از این روش تصاویری از ساختارهای کلاژنی تاندوم دم موش [۱۱۰]، پوست [۱۱۳-۱۱۱]، قرنیه [۱۱۵ و ۱۱۴]، مغز [۱۱۶]، تومورها [۱۱۷]، جنین ماهی [۱۱۸] به دست آورند. با افزایش حساسیت و تفکیک این میکروسکوپ هم‌اکنون برای تصویربرداری از نانورشته‌های سه بعدی ECM حتی در بافت‌هایی با پراش نوری قابل ملاحظه (چون بافت كبد) هم از این میكروسكوپ استفاده می‌شود. در اینجا سیگنال SHG بدون هر گونه نشانه‌گذاری خارجی( برچسب‌زنی بیرونی) توسط نانورشته‌های کلاژنی تولید می‌شود. از آنجا كه استفاده از نورمادون قرمز و تابع کاهش یافته پخش نقطه‌ای مؤثر تا حد زیادی باعث از بین رفتن تأثیر مخرب پراش نور می‌شود [۱۱۹]، عمق تصویربرداری در این روش حداقل صدها میکرون افزایش یافته و حتی برای نمونه‌های شفاف به بیش از یك میلی‌متر رسیده و تفکیک و کیفیت تصویر هم بهبود می‌یابد. نانوالیاف‌های سه بعدی موجود در محیط خارج سلولی و از جمله رشته‌های کلاژنی، غالباً به لحاظ نوری غیرهمگن هستند و لذا می‌توان آنها را با توجه به انكسار دوتایی میکروسکوپ پلاریزان آشکار نمود. در این حالت نمونه را تحت تابش نور قطبی شده خطی قرار داده و سپس این نور را توسط یک پلاریزور عمودی تجزیه می‌کنند. انكسار دوتایی نمونه، هم به شدت نور تبدیل شده و توسط یک آشکارساز ثبت می‌شود. میکروسکوپ پلاریزان کاربرد وسیعی در تعیین مشخصات کمی کلاژن در بافت‌های رنگ‌آمیزی نشده دارد [۱۲۰]. معمولاً به منظور افزایش انكسار، نانورشته‌های کلوژنی بافت‌های ثابت را با برچسبی از نوعی رنگ قرمز مشخص می‌کنند و به این ترتیب مولکول‌های رنگ در راستای رشته‌های کلاژنی قرار می‌گیرند [۱۲۱]

● تعیین مشخصات شیمیایی با استفاده از میکروسکوپ هم‌کانون فلورسانی
برچسب‌زنی (به عنوان مثال با استفاده از پروتئین‌های فلورسانس)، یکی دیگر از روش‌های پویای تصویربرداری از داربست‌های نانورشته‌ای سه بعدی به شمار می‌آید [۱۲۲]. به طور کلی، تصویربرداری به کمک برچسب‌زنی فلورسانس، اختصاص بیولوژیکی بالا و وضوح خوبی دارد اما در مقابل باعث ایجاد تداخل در یکپارچگی ساختاری محیط نانوالیافی و نیز پاسخ‌های سلولی می‌شود. دانشمندان برای از بین بردن اثرات تداخلی نامطلوب پروتئین‌های فلورسنت بزرگ، روش‌های برچسب‌زنی مولکول کوچک مورد توافق promising را ابداع نموده‌اند [۱۲۳]. انتقال انرژی تشدید فلورسانس (FRET) یک خط‌کش نوری است که می‌توان با استفاده از آن فاصله بین فلوروفورهای دهنده و گیرنده را اندازه‌گیری نمود. این کار با مشخص نمودن جفت‌شدگی میدان نزدیک از طریق تعیین شدت فلورسانس یا طول عمر آن انجام می‌شود. با استفاده از این روش (که امکان تمایز بین ساختارهای مختلف پروتئینی را فراهم می‌کند) می‌توان پی برد که چگونه سلول‌ها ساختار پروتئینی را در محیط بیرونی خود تغییر می‌دهند و دریافت که چگونه این تغییرات ساختاری با تغییر کارکرد سلول در ارتباطند [۱۲۵ و ۱۲۴]. دانشمندان با نشان‌دار كردن (tagged) فیبرونکتین به فلورفورهای دهنده و گیرنده در نقاط مختلف و FRET بین مولکولی مشاهده كردند که فیبرونکتین‌ در پاسخ به کشش اسكلت (داربست‌) سلولی ایجاد شده توسط فیبروبلاست‌های NIH۳T۳، دچار فرورفتگی شده و کشیده می‌شود. همچنین فلورسانس حاصل از تحریک دوفوتونی هم موجب افزایش عمق تصویربرداری به صدها میکرون شده و امکان مشاهده ساختمان بافت در عمق هم فراهم می‌شود [۱۲۶].

 

[mahdi.adelinasab]

اادامه----->

اادامه----->

● تعیین مشخصات مکانیکی با استفاده از روش‌های حسگری نیرو
با توسعه روش‌های حسگری نیرو، امکان اندازه‌گیری نیروهای ضعیف تا حد پیکونیوتن و یا حتی کمتر از آن هم فراهم شده است. به علاوه اندازه‌گیری‌های مربوط به شکل هندسی و خواص مکانیکی (از قبیل ثابت فنر و مدول یانگ) تک‌تک نانورشته‌ها را هم می‌توان با این روش‌ها به دست آورد. میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) حدود بیست سال قبل به عنوان یک روش‌ تصویربرداری با قدرت تفکیک بالا اختراع شد [۱۲۷] با این میکروسکوپ علاوه بر اندازه‌گیری‌های نقشه‌برداری، می‌توان نیروهای در حد پیکونیوتن و جابجایی‌های نانومتری را هم آشکار کرد و به این ترتیب بر اساس منحنی‌های نیرو- فاصله مطالعاتی را در زمینه نیروهای درونی و بین ملکولی انجام داد [۱۲۸]. محققان با استفاده مؤثر از AFM و اندازه‌گیری نیروی پیوندی اینتگرین و مولکول‌های های ECM [۱۳۱ و ۱۲۹] و ارتباط دادن آن با استحكام نانورشته‌های طبیعی [۱۳۲] و مهندسی شده [۱۳۳]، می‌توانند به بررسی برهم‌کنش‌های سلول- ECM بپردازند. همچنین با تلفیق AFM و میکروسکوپ نوری، یعنی قرار دادن نوک پیمایشگر آن روی یک میکروسکوپ نوری معکوس، می‌توان خواص مکانیکی و اطلاعات ساختاری یا عاملی را به طور همزمان به دست آورد و ثبت نمود. به این ترتیب با تلفیق این دو مجموعه اطلاعات، می‌توان به طور کمی از پاسخ سلول‌ها به محیط نانوالیافی سه بعدی آگاه شده و به محدودیت‌های مکانی- زمانی محرک‌های شیمیایی و مکانیکی خارج از سلول هم پی‌برد. با استفاده از انبرک‌های نوری می‌توان اجسام میکروسکوپی و حتی اتم‌های منفرد را در دماهای پائین دستکاری نمود [۱۳۴ و ۱۳۵]. مبنای اساسی این روش فشار تابشی نور بر اجسام دی‌الکتریک است. نیروی به دام‌اندازی یک اتم یا مولکول منفرد بسیار کم است، لذا برای دستکاری یک مولکول منفرد در دمای اتاق، محققان معمولاً دسته‌هایی- به عنوان مثال دانه‌های پلی‌استایرن پلی‌استرین- را به آن متصل می‌کنند. انبرک‌های نوری علاوه بر دستکاری اجسام ریز، در اندازه‌گیری نیروهای بین‌مولکولی در حد پیکونیوتن [۱۳۶] و تعیین کشسانی رشته‌ها، کاربرد دارند [۱۳۷]. با متصل نمودن دانه‌های پلی‌استایرن به نانورشته‌ها، می‌توان آنها را با استفاده از این انبرک‌های نوری خم نموده و استحكام آنها را اندازه گرفت. همچنین انجام اندازه‌گیری‌های سه بعدی در این روش بسیار آسان‌تر از به کاربردن AFM است. انبرک‌های نوری، علاوه بر تعیین مشخصه رشته‌های منفرد، می‌توانند مشخصه مربوط به خواص جریان‌شناسی حجم‌های معین را هم از طریق اندازه‌گیری موضعی گرانروی کشسان تعیین نمایند [۱۳۸]. این خواص رئولوژیكی، به ساختار ماكرومولکولی یا فرامولکولیECM یا محیط نانوالیافی سه بعدی بستگی دارد.

● چشم‌انداز آینده
علیرغم وجود فناوری‌های مهندسی و ساخت نانورشته‌هایی با ویژگی‌های پیچیده، مطالعات سیستماتیک در سطح مولکولی درباره پاسخ‌های سلولی به شبکه‌های نانوالیافی سه‌بعدی، عمدتاً با ECMهای طبیعی انجام می‌شده است. در حال حاضر برای درک سیستماتیک برهم‌کنش‌های سلول- شبکه و فرایند بازگشتی، طراحی مواد زیستی جدید با کاربردهای خاص، استفاده از چنین زیرلایه‌های نانوالیافی مهندسی شده‌ای، بسیار ضروت دارد. محصولات تجاری از این دست و زیرلایه‌های نانورشته‌ای بزرگتر موجب تسریع استفاده از چنین محیط‌های سه بعدی در تحقیقات زیست‌شناسی سلولی و نیز مهندسی بافت می‌گردد. با توسعه ابزارها و فرآیندهای جدید، داربست‌ها و نانورشته‌های سه بعدی با یکنواختی بیشتر و خواص مکانیکی/ شیمیایی قابل کنترل پدید خواهند آمد. تمامی این پیشرفت‌ها، به همراه روش‌های تصویربرداری و حسگری نیرو که با گذر زمان برای بررسی سه بعدی نانورشته‌ها پدید می‌آید، پشتوانه تحقیقات با دقت‌های زیرسلولی درباره ‌چگونگی پاسخ فرآیندهای سلولی و مولکولی مختلف به این داربست‌ها را تشکیل می‌دهند. به این ترتیب، دانشمندان می‌توانند LTH را عملاً مورد آزمایش قرار داده و آن را اصلاح نمایند. همچنین اندازه‌گیری‌های سیستماتیک و کمی پارامترهای مولکولی و سلولی در نقاطی مجزا از برهم‌کنش سلول ECM و نیز در کل سطح سلول، قابلیت جدیدی را فراهم می‌کند که عبارتست از:

▪ امکان ایجاد مدل‌هایی محاسباتی و نیز مدل‌هایی از سیستم‌های زیست‌شناسی که نشان‌دهنده پاسخ‌های سلولی نسبت به نانوالیافی است که دارای خواص مکانیکی و شیمیایی مختلف بوده و به طور زمانی و مکانی توزیع شده‌اند. چنین مدل‌هایی به توسعه کاربردی بیشتر انواع جدیدی از محیط‌های نانوالیافی منجر می‌شود.

 

[mahdi.adelinasab]

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 دهه 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 دههٔ ۱۹۹۰، محققانی که ذرات میکرومتری را تهیه کردند، در گزارش توزیع اندازهٔ 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 کتاب شیمی خود با مفاهیم «هیدرولیز» (هیدرولیز واکنشی است که در محیط آبی منجر به یونیزاسیون ماده شود) 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 مدتی طولانی برای تولید سرامیکی غیرآلی و شیشه‌ای مورد استفاده قرار گرفت و تا اواسط دههٔ ۹۰ همچنان روشی مقرون به صرفه به نظر رسید. از آن به بعد دانشمندان مختلف توانستند این نانوذرات را از روشی گوناگون تهیه کنند. بنابراین، دیگر این روش اقتصادی به نظر رسید. 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 اولیهٔ گران‌قیمت نبود.
کاربرد نانوذرات سیلیس
سیلیس در ایران به‌وفور یافت می‌شود. این ماده از دو عنصر سیلیسیوم و اکسیژن تشکیل شده و از لحاظ ساختاری شبیه ساختار مولکول آب است.ذرات سیلیس در صنایعی چون الکترونیک، کاتالیزورها، پوشش و رنگدانه کاربرد وسیعی دارند. اما استفادهٔ بسیار از این ماده خطرناک است و برای کسانی که در معرض آن قرار می‌گیرند مشکلات تنفسی به وجود می‌آورد.

● ذرات سیلیس
روشی شیمیایی سنتزِ نانوذراتِ سیلیس پرهزینه‌اند، زیرا مواد مورد نیاز در این روش‌ها گران‌قیمت‌اند. بنابراین، دانشمندان تلاش می‌کنند تا روش‌ها و منابع مقرون به‌صرفه بیابند.در سال ۲۰۰۴ زونگ هرنگ لیو (Tzong Horng Liou)، پژوهشگر تایوانی، برای اولین‌بار این ذرات را از شلتوک برنج سنتز کرد که از روش‌های بسیار ارزان‌قیمت به شمار می‌رود.همان‌طور که گفته شد، در ایران معادن متعددی وجود دارند که کلوخهی سیلیس را می‌توان از آنها استخراج کرد. برای تبدیل این کلوخه‌ها به ذرات ریز چه می‌توان کرد؟ شاید تصور کنید که با آسیابی پرقدرت می‌شود این کلوخه را آن‌قدر ریز کرد تا به اندازهٔ نانومتری برسند.گرچه این روش به نظر معقول و مقبول می‌آید، ولی تا به حال آسیابی ساخته نشده است که بتواند پیوندهای کووالانسی بسیار قوی سیلیس را بشکند.بنابراین، برای ریز کردن کلوخهٔ سیلیس باید چارهٔ دیگری کرد. اعضای گروه شیمی دانشگاه تربیت مدرس موفق شده‌اند با استفاده از پراکندهی شیمیایی به ذرات نانومتری سیلیس دست یابند. پراکندهموادی هستند که مانندِ پلی میان اتم و مولکول قرار گیرند و از ایجاد پیوندهای قوی بین آنها جلوگیری کنند.

● کاربردهای نانوذرات سیلیس
اکنون سراغ کاربردهای نانوذرات سیلیس رویم. سیستم کلوئیدی پراکنده‌ها، یعنی محلول حاوی ذرات پراکندهٔ سیلیس، در صنایع مختلف از جمله در رنگدانه و کاتالیزورها کاربرد دارد. همچنین از نانوذرات سیلیس می‌توان برای سختی و استحکام پوششی صنعتی استفاده کرد.یک شرکت ژاپنی با استفاده از این نانوذرات در محصولات مرطوب‌کنندهٔ خود، مشاهده کرد که کرمی جدید خشکی پوستِ مشتریان را درمان می‌کند. بنابراین، یکی دیگر از زمینه‌های کاربرد این نانوذرات تواند داروها و لوازم آرایشی و بهداشتی باشد.کاربرد دیگر نانوذرات، در عایقی حرارتی و عایقی الکتریکی است. با اعمال شرایط خاص، توان از این ذرات که به صورت پودر هستند، ساختارهای متخلخل به دست آورد. ساختار متخلخل کاربردهای جالبی دارد و از جمله می توان از آنها به عنوان تصفیه‌کننده استفاده کرد.

● سیلیس با ساختار متخلخل
امروزه توانسته‌اند از نانوپودر سیلیس با توزیع اندازهٔ ذرات کم، پولیشرهای مکانیکی و شیمیایی تولید کنند. در این روش، مشکلاتی که در پولیش سطوح با استفاده از اسیدها و پولیشرهای دیگر وجود داشت، رفع شده است.

●ز پولیشر چیست؟
معمولاً برای اینکه سطوح، صاف و صیقلی شوند، از پولیشر استفاده می‌کنند که معروفترین آنها سُمباده است که فکر می‌کنم همه این نوع پولیشر را دیده باشند. پولیشرِ سیلیس فناوریِ بالایی دارد و در پولیش کردن صفحهٔ تلویزیون، مانیتور و لیزر به کار می‌رود. ذرات سیلیس بسیار سخت و محکم‌اند و کمتر تغییر شکل می‌دهند. برای پولیش و زدودن لایهٔ روییِ برخی از مواد هم که سطحشان فعال است و واکنش نشان می‌دهند، از این پولیشر استفاده می‌شود. تا به حال از اسید برای زدودن این لایه استفاده می‌کردند که روش چندان مناسبی به شمار نمی‌رفت.

 

[mahdi.adelinasab]

از خودآرایی کمی بیشتر بدانیم

از خودآرایی کمی بیشتر بدانیم

همانطور که می دانید، خودآرایی روش ساختی است که در آن اجزاء مختلف (چه به صورت تک به تک و چه به صورت متصل به هم) به صورت خود به خودی ساختار به هم پیوسته منظمی را تشکیل می‌دهند، اما این روش ساخت تنها در مقیاس نانو کاربرد ندارد بلکه در مقیاسهای بسیار بزرگتر هم به کار می‌رود (مثال آهنرباها و سایر مثالهای جلسه قبل که یادتان هست). شکل ۱ نمونه‌های دیگری را به همراه مقیاس آنها نمایش می‌دهد.البته می‌شود گفت که ابتدا این روش ساخت در مقیاس نانو مشاهده و درک شد و پس از آن مانند بسیاری دیگر از فعالیتهای بشر که سعی در شبیه‌سازی و استفاده از روشهای طبیعی را دارند، شبیه‌سازی و در مقیاسهای بزرگتر پیاده‌سازی شد.یکی از طرحهای تحقیقاتی در این زمینه که بسیار جالب توجه است و برای بررسی بر روی ساختارهای خود آرا راه‌اندازی شده است، طرحی است در دانشگاه واشنگتن به نام اجزاء خود سازمان‌ده قابل برنامه ریزی که در شکل ۲ یکی از اجزاء آن که به عنوان شبیه‌سازی یک ساختار مثلثی استفاده شده است را می‌بینید (برای آشنایی بیشتر حتما یک سری به سایت این تحقیق بزنید).
خودآرایی از لحاظ علمی جذاب و از دیدگاه فناوری مهم است. چون:
۱) در زندگی ما مهم است. سلولها به طرز حیرت‌آوری از مواد پیچیده‌ای نظیر بافتهای چربی، پروتئینها، ساختارهای اسیدی و بسیاری موارد دیگر که توسط خودآرایی ساخته می‌شوند تشکیل یافته‌اند.
۲) خودآرایی روشی برای ساخت موادی با ساختارهای منظم نظیر کریستالهای مولکولی، کریستالهای مایع و نیمه کریستالها است و این ساختارهای منظم بسیار پر کاربردند.
۳) کاربردهای بسیاری در مواد با سایزهای بزرگتر دارند و امکان استفاده از آن در مواد دیگر و همچنین کاربرد آن در مبحث مواد چگال نیز وجود دارد.
۴ ) به نظر می‌آید این روش یکی از پرکاربردترین روشهای ساخت در مقیاس نانو است.با توجه به این موارد می‌توان گفت که خودآرایی در زمینه‌های بسیاری نظیر شیمی، فیزیک، بیولوژی، علم مواد، نانوتکنولوژی و ساخت بسیار پرکاربرد و مهم است.

● اصول خودآرایی مولکولی
همانطور که گفتیم تاریخچه خودآرایی مربوط به مطالعات بر روی مولکولها می‌شود. موفقیت آمیز بودن خودآرایی در یک سیستم مولکولی به پنج مشخصه سیستم مربوط است:
۱) اجزای سیستم:
یک سیستم خودآرا از گروههای مولکولی و یا بخشهایی از درشت-مولکولها تشکیل شده است که با یکدیگر در تعاملند. این مولکولها یا درشت-مولکولها می‌توانند یکسان و یا متفاوت باشند و تعامل بین آنها منجر به تغییر از یک حالت با سازماندهی کمتر (مانند محلول) به یک حالت منظمتر (مانند کریستال) می‌شود.
۲) تعامل بین آنها:
خودآرایی هنگامی رخ می‌دهد که مولکولها به تعادلی در بین نیروهای جاذبه و دافعه مولکولی می‌رسند که این نیروها ضعیف و از نوع غیر کووالانسی (مانند نیروهای آبگریزی) هستند.
۳) بازگشت‌پذیری (یا انطباق پذیری):
در خودآرایی برای اینکه ساختارهای منظم به وجود آید می‌بایست تجمع مولکولی بازگشت‌پذیر بوده و اجزا بتوانند جای خود را در ساختار ایجاد شده اولیه تغییر داده و تنظیم کنند. به همین خاطر مقاومت قیدهای بین اجزا باید در حدود نیروهایی باشد که می‌خواهد آنها را از هم جدا کند. به عنوان مثال فرآیندی که در آن مولکولها به طور بازگشت‌ناپذیر به یکدیگر می‌چسبند به جای کریستال به ما شیشه می‌دهد!
۴) محیط:
خودآرایی مولکولی معمولا در یک محلول و یا رابطی که امکان حرکت را به اجزا می‌دهد اتفاق می‌افتد و تعامل اجزا با محیط بر روی سرعت فرایند تا‌ثیر زیادی دارد.
۵) جابجایی جرم:
برای اینکخه خودآرایی رخ دهد مولکولها باید در حرکت باشند.
روشهای بسیاری وجود دارد که این خصوصیات در آنها به طرز مناسبی کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و به همین خاطر است که محصولاتی که به روش خود آرا ساخته شده باشند بسیار متنوع هستند. این محصولات را می‌توان در دسته‌بندیهای دو بعدی و سه بعدی، تک لایه یا چند لایه، نانو تا میکرو و بزرگتر و ... تقسیم بندی کرد.می‌خواستیم در این جلسه یکی از روشهای خودآرایی را ارائه کنیم اما چون انتخاب یک روش کمی سخت بود در نهایت تصمیم گرفتیم که در جلسه آینده که کاربردهای مواد خودآرا را بیان می‌کنیم در هر مورد نام روش استفاده شده و خلاصه‌ای از نحوه عمل آنها را بگوییم. اما به عنوان پایان این جلسه شکلی از نحوه تشکیل یک ساختار خود آرای تک لایه را بدون توضیحی در متن (البته خود شکل و توضیحاتی که در آن آورده‌ایم گویاست) ارائه می‌کنیم.

 

[mahdi.adelinasab]

سفر با نانو به اعماق هسته

سفر با نانو به اعماق هسته

در هر کشوری، سازمان سیاحت وجهانگردی برای جهانگردان خارجی، راهنمایان متخصصی را تدارک می بیند تا این راهنمایان، جهانگردان را با مناطق سیاحتی و تاریخی کشور آشنا سازند و در طول سفر اطلاعاتی را در این زمینه به آن ها ارائه می دهند. در فیزیک نیز ما برای علاقه مندان به فیزیک (جهانگردان فیزیک) ، راهنمایی تدارک دیده ایم. راهنمایی که برای سفر به اعماق هسته و ذرات زیر اتمی برای شما انتخاب کردیم، "نانو" نام دارد (نانو واحد فیزیکی و معادل ۱۰ به توان ۹- متر است).

"نانو" ما را در سفر به اعماق زیر اتمی راهنمایی می کند و ما را با این دنیای به ظاهر کوچک اما وسیع و گسترده آشنا می سازد. پس خود را برای سفر به درون اتم آماده کنید. امیدورام که "نانو" راهنمای خوبی برای شما در این سفر باشد.سفر خوشی را برای شما آرزو می کنیم!مقدمات سفر هنگامی كه فیزیكدانان مشغول بررسی ساختار متكامل اتم بودند، متوجه توده متراكمی كه در مركز آن قرار دارد، شدند. و درصدد برآمدند تا به ساختار این توده كه بخش ناچیزی از اتم را اشغال كرده است، دست یابند. این ابر متراكم همان هسته اتم است كه بار الكتریكی مثبت دارد. برای درك صحیح و روشن از ساختار هسته، بهتر است با مرور از بیان مفاهیم رایج در ساختمان هسته، به بررسی ساختار آن بپردازیم.شروع سفر ذرات سازنده اتم را زیر اتمی می گویند. این ذرات به دو دسته تقسیم می شوند:۱) هادرون ها ۲) لیپتون ها هادرون ها: تركیباتی هستند كه از ذرات بنیادی كوارك تشكیل شده اند. كوارك ذره ای بنیادی كه دارای بار الكتریكی است و اندازه بار الكتریكی آن كمتر از ۱ واحد است. تا كنون ۶ نوع كوارك كشف شده است كه عبارتند از: كوارك بالا(Up) ،افسون(Charm) و رو(Top) با بار الكتریكی ۳/۲+ (دو سوم)، كوارك پایین(Down) ،عجیب(Strange) وته(Bottom) با بارالكتریكی۳/۱-(منفی یک سوم) . علاوه بر بارالكتریكی كه نمودار خواص كوارك هاست از خواص دیگری بنام "رنگ " نیز استفاده می شود. كوارك ها در سه رنگ "آبی"، "قرمز" و "سبز" طبقه بندی می شوند.این رنگ ها به منزله نوع بارالكتریكی آن هاست كه مشخصه نیروی بنیادی میان كوارك هاست. اگر سه كوارك با این سه رنگ مختلف در كنار یكدیگر قرار گیرند رنگ سفید حاصل می شود. به ذراتی كه از سه كوارك تشكیل شده اند، باریون می گویند. معروفترین و پایدارترین باریون های شناخته شده، پروتون و نوترون هستند. پروتون از دو كوارك بالا و یك كوارك پایین و نوترون از دو كوارك پایین و یك كوارك بالا تشكیل شده و به همین دلیل است كه پروتون دارای بار الكتریكی ۱+ و نوترون بی بار(با استفاده از جمع جبری بار کوارک های سازنده). به تركیبات هادرونی كه از یك كوارك وضد كوارك تشكیل شده باشند، مزون می گویند. مثلاً یك كوارك آبی و یك كوارك ضد آبی در كنار هم كه قرار گیرند، مزون را ایجاد می كنند. مزون ها ناپایدارند و در مدت زمان بسیار كم به انرژی تبدیل می شوند.معروفترین مزون های شناخته شده پیون، كه از یك كوارك بالا و ضد كوارك پایین و همچنین كائون، كه از كوارك بالا و ضد كوارك عجیب تشكیل شده اند. كه عمر این ذرات به 0.000000002 ثانیه هم نمی رسد. اخیراً یك تركیب هادرونی كه از پنج كوارك تشكیل شده است، كشف كرده اند." نانو به پنتا کوارک طوری خیره شده بود که گویا اولین باری است که آن را می بیند، اما بر اساس اطلاعات دریافتی در این زمینه توضیح می دهد: " این تركیب كه پنتا كوارك نامیده شده است از دو كوارك پایین، دوكوارك بالا و یك ضد كوارك عجیب تشكیل شده كه درمدت زمان كمتر از 10-20 (ده به توان منفی ۲۰) ثانیه فرو می پاشد و به یك نوترون و كائون مثبت تبدیل می شود. در تركیبات هادرون ها نیروهای بنیادی وجود دارد كه این نیرو ها قالب تركیبات هادرونی را نگه می دارد. نیروهای بنیادی، نیروهای حاكم بر جهان می باشند كه میان ذرات سنگ بنای مواد برقرار است. این نیروها به چهار دسته تقسیم می شوند:
۱- نیروی قوی(رنگ)
۲- نیروی الكترومغناطیسی
۳- نیروی ضعیف
۴- نیروی گرانشی
*نیروی قوی: این نیرو مخصوص تركیبات كواركی است كه میان كوارك ها بر قرار است. لازمه برقراری این نیرو آن است كه سه كوارك با سه رنگ مختلف (كه در بالا ذكر شد) در كنار یكدیگر قرار گیرند، همانطور كه لازمه برقراری نیروی الكتریكی آنست كه دو ذره باردار در كنار هم باشند. به همین دلیل است كه كوارك ها به تنهایی در طبیعت یافت نمی شوند. این نیرو از پرت شدن كوارك ها در درون پروتون و نوترون جلوگیری می كند. این نیرو توسط گلوئون ها، بین كوارك ها منتقل می شود. البته این نیرو فقط در فواصل كوتاه كارگر است.
*نیروی الكترومغناطیسی: این نیرو میان ذرات باردار ایجاد می شود. و همچنین نیروی الكترومغناطیسی بر ذرات باردار كه در میدان مغناطیسی در حال حركتند، وارد می شود. این نیرو توسط فوتون ها، بین ذرات باردار منتقل می شود.

*نیروی ضعیف: علاوه بر دو نیرویی كه در بالا ذكر شد، نیرویی وجود دارد كه بدون استثنا بر تمام ذرات جهان در فواصل بسیار بسیار كم حكمفرماست. این نیرو را نیروی ضعیف می نامند، كه توسط بوزون ها میان ذرات منتقل می شود.

*نیروی گرانشی (جاذبه):نیروی جاذبه ای است كه میان اجسامی كه دارای جرم می باشند حكمفرماست. این نیرو نسبت به نیروهای بنیادی دیگر در مورد ذرات بنیادی ودر فواصل كوتاه بسیار ضعیف است. این نیرو در مورد اجرام آسمانی موثر است. نیرو گرانشی توسط ذرات گراویتون(Graviton) میان مواد جابجا می شود. ناقلان نیروهای بنیادی همگی از ذرات بنیادی به شمار می آیند.لیپتون ها : لیپتون ها ذرات بنیادی هستند كه نیروی قوی (رنگ) بر آن ها حاكم نیست. معروفترین لیپتون های شناخته شده، الكترون، میون ها و تاو می باشند كه همگی این ذرات بار الكتریكی منفی دارند. الكترون ها پایدارند اما دوذره میون و تاو عمرشان بسیار كم می باشد. نوترینوی این ذرات نیز وجود دارد كه پایدار هستند.نوترون ها به تنهایی ناپایدارند و پس از حدود ۱۵ دقیقه از بین می روند و به یك پروتون و الكترون تبدیل می شوند. در آزمایشگاه مقدار انرژی محاسبه شده برای الكترون واپاشی شده، كمتر از مقدار مشاهده شده در آزمایش این واكنش بوده است. فیزیكدانان با بررسی كل انرژی در قبل و بعد از واكنش به این نتیجه رسیدند كه مقداری انرژی در واپاشی الكترون ناپدید شده است و پایستگی انرژی در این مورد صدق نمی كند. تا اینكه در سال ۱۹۳۳ ولفگانگ پائولی نظریه ای را در این مورد ارئه داد. این نظریه می گوید هنگامی كه الكترون یا هر ذره بنیادی میون یا تاو، واپاشی می كند، مقداری از انرژی آزاد شده در این واكنش توسط ذره ای بی بار كه جرم آن نزدیك به صفر است حمل می شود. این ذره را نوترینو یعنی یك ذره خیلی كوچك خنثی، نام نهادند. چون جرم این ذره نزدیك به صفر است، تشخیص آن در آزمایشگاه ها بسیار سخت و مشكل بود." نانو " کمی مکث کرده و ادامه می دهد :تا اینكه در سال ۱۹۵۶ به وجود این ذره در یك میدان مغناطیسی بسیار بسیار قوی پی بردند.

پس تمام ذرات لیپتون، كوارك ها و ذرات میدان (ذرات منتقل كننده نیرو) جزو ذرات بنیادی هستند. از این ذرات بنیادی، فقط كوارك بالا، پایین والكترون در ساختار جهان ما نقشی را برعهده دارند. پروتون ها و نوترون ها نسبت به الكترون ها بسیار سنگین هستند اما اندازه بار الكتریكی پروتون ها والكترون ها یكسان می باشد.
اكنون با مرور بر مفاهیم ذرات بنیادی، می توانیم ساختمان هسته را توصیف كنیم. هسته از پروتون ها و نوترون ها تشكیل شده كه به طور متراكم در كنار یكدیگر قرار دارند. به ذرات سازنده هسته، نوكلئون می گویند. هسته دارای بارالكتریكی مثبت می باشد. اندازه بار الكتریكی هسته كه ناشی از پروتون های آن می باشد، برابر با مجموع اندازه تعداد بار الكتریكی منفی الكترون هاست. به همین دلیل اتم در حالت طبیعی از نظر بار الكتریكی خنثی است. اگر اتم الكترونی را از دست بدهد، تعداد بار الكتریكی منفی كمتر از تعداد بار الكتریكی مثبت می شود و درنتیجه اتم به یون مثبت تبدیل می شود. اتم های فلزی دارای چنین خاصیتی هستند. اما اگر اتمی الكترونی را دریافت كند، تعداد بار الكتریكی مثبت كمتر از تعداد بار الكتریكی منفی می شود و در نتیجه اتم به یون منفی تبدیل می گردد. اتم های عناصر نافلز دارای چنین خاصیتی می باشند.هسته با بار الكتریكی مثبت خود باعث می شود كه الكترون ها در سطوح انرژی معین در اطراف خود حركت كنند. تا جایی كه می دانیم، بیشتر فضای اتم توخالی است و بخش ناچیزی از آن را هسته اشغال كرده است. هسته كه دربرگیرنده ذرات سنگین می باشد، جرم اتم به شمار می رود. اما در واحد جرم اتمی، جرم الكترون های اتم را نیز در نظر می گیرند.

 

[mahdi.adelinasab]

اادامه----->

اادامه----->

تعداد پروتون های هسته یك اتم را عدد اتمی می گویند كه با A نشان می دهند. عدد اتمی نیز نمودار تعداد الكترون های اتم خنثی به شمار می رود. تعداد نوكلئون های هسته یك اتم را عدد جرمی می گویند كه با Z نشان می دهند. پس (Z-A) تعداد نوترون های هسته را به ما نشان می دهد.هر عنصر عدد اتمی منحصر به فردی دارد كه نمایانگر خاصیت شیمیایی آن می باشد اما عدد جرمی عنصر نمایانگر خواص فیزیكی عنصر مانند چگالی و جرم می باشد. اما عدد جرمی هسته های اتم های یك عنصر متفاوت می باشد. و این تفاوت ناشی از متغییر بودن تعداد نوترون های هسته های عنصر می باشد. پس به عناصری كه عدد اتمی آن ها یكسان اما عدد جرمیشان متفاوت می باشد، ایزوتوپ های آن عنصر می گویند. مثلاًعدد اتمی كربن ۶ می باشد اما كربن دارای ۴ ایزوتوپ با اعداد جرمی ۱۳,۱۲,۱۱ و۱۴ می باشد. عدد جرمی را در پایین نماد عنصر و عدد اتمی را در بالای نماد عنصر می نویسند.
ما می دانیم كه هسته توده ای توپر و متراكم می باشد كه در آن پروتون ها و نوترون ها به صورت فشرده در كنار یكدیگر قرار گرفته اند. به نیرویی كه بر پروتون ها و نوترون ها وارد شده و آن ها را در هسته، در كنار یكدیگر قرار می دهد، نیروی هسته ای می گویند. نیروی هسته ای بایستی آنقدر قوی باشد تا بر نیروی رانشی میان پروتون های هسته كه در كنار یكدیگر قرار گرفته اند، فایق شده و آن ها را در كنار یكدیگر قرار داده تا هسته را پایدار نگه دارد. نیروی هسته ای نیروی بنیادی نیست بلكه نیروی های بنیادی، زیر بنای این نیروی قوی می باشند. البته نیروی قوی (كوارك) و نیروی ضعیف نسبت به دو نیروی بنیادی دیگر، بر نیروی هسته ای موثرترند. به همین دلیل نیروی هسته ای در فواصل كوتاه كارگر است.هنگامی كه پروتون ها و نوترون ها در كنار یكدیگر قرار می گیرند و هسته اتمی را به وجود می آورند، مجموع جرم پروتون ها ونوترون های هسته از جرم هسته كمتر می باشد، پس در تشكیل هسته اتم، مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. كه به این مقدار انرژی، انرژی اتصال هسته می گویند. پس انرژی اتصال، مقدار انرژی لازم برای شكستن كامل هسته اتم وتبدیل آن به پروتون ها و نوترون های مستقل، و یا مقدار انرژی كه بر اثر تشكیل هسته اتم آزاد می شود، می باشد.اگر Mn مجموع جرم نوكلئون ها ، Me جرم الكترون و Mx جرم اتمی ایزوتوپ یك عنصر باشد، آنگاه انرژی اتصال هسته از رابطه زیر بدست می آید:

E=(Mn+A Me).c2 - [(Mx) c2]

نیروی هسته ای نیرویی كوتاه برد كه در فاصله محدودی موثر است. در هسته پایدار اتم های سبك تعداد پروتون ها و نوترون ها برابر و یا اختلافشان به یك نزدیك می شود. اما در هسته اتم های سنگین تعداد پروتون ها و نوترون ها بیشتر می شود به طوری كه در اتم های سنگین تعداد نوترون ها بیشتر از پروتون ها می شود تا بر نیروی رانشی پروتون ها كه در حال افزایش می باشد، غلبه كند، و این امر خود سبب می شود تا از طرفی شعاع هسته افزایش یابد و از طرف دیگر نیروی رانشی میان پروتون ها قوی تر می شود، و در نتیجه نیروی هسته ای نمی تواند هسته را پایدار نگه دارد و هسته فرو می پاشد. سنگین ترین هسته پایدار بیسموت ۲۰۹ (عدد جرمی ۲۰۹ و عدداتمی ۸۳) و سبكترین هسته ناپایدار تریتیم (ایزوتوپی از هیدروژن كه عدد جرمی آن ۳ می باشد) . تحقیقات نشان داده اند هسته هایی كه عدد اتمی آن ها ۲۰،۸،۲ و یا ۸۲ می باشد، نسبت به سایر نوكلئید ها از پایداری كاملی برخوردارند، زیرا انرژی اتصال هسته ای این عناصر زیاد می باشد. و همچنین این عناصر نسبت به عناصر اطراف خود در جدول تناوبی، ایزوتوپ های بیشتری دارند. هنگامی كه هسته ای فرو می پاشد، شكافت هسته ای رخ می دهد كه در طی این واكنش هسته ای مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. انرژی آزاد شده در واكنش هسته ای نسبت به واكنش شیمیایی بسیار زیاد می باشد، زیرا در طی این واكنش مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. پس جرم هسته اولیه بیشتر از جرم هسته محصولات است. پس واكنش هسته ای واكنشی است كه در آن یك هسته به هسته دیگر تبدیل می شود كه در طی این واكنش مقادیر عظیمی انرژی آزاد می شود. واكنش های هسته ای به دو دسته تقسیم می شوند:
۱) شكافت هسته
۲) همجوشی
شكافت هسته ای :
واكنشی است كه در آن هسته مادر دچار دگرگونی می شود و در این دگرگونی تعداد پروتون ها و نوترون های نوكلئید تغییر می كند و در نتیجه هسته به نوكلئیدی جدید تبدیل می گردد كه در این تبدیل مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. در طی شكافت هسته ای، ذرات بنیادی و تركیبات هادرونی كه طول عمرشان بسیار كم می باشد، نیز تولید می گردد. اما در فاصله زمانی بسیار كوتاه این ذرات به انرژی تبدیل می شوند؛ مانند تولید كاوون ها كه در برخورد پرتو گاما به هسته كربن ۱۲ در مدت زمان كمتر از ۱۰- ^۱۰ ثانیه متلاشی می شود. شكافت های هسته ای همراه با واپاشی پرتوزایی می باشد. پرتو های آلفا، بتا و گاما از جمله پرتو های شناخته شده در پرتوزایی می باشند.آلفا, از دو پروتون و دو نوترون تشكیل شده و دارای بار الكتریكی ۲+ است به همین خاطر آلفا هسته هیلیم به شمار می رود. هسته های سنگین تر كه عدد جرمی و عدد اتمی آن ها به ترتیب بیشتر از ۲۰۹ و۸۳ باشد، مطابق آنچه كه در بالا به آن اشاره شد، در فروپاشی خود می توانند ذرات آلفا را گسیل كنند. ذرات آلفا مقدار انرژی آزاده شده در شكافت هسته ای را برای خود دریافت می كنند؛ كه این مقدار انرژی به صورت انرژی جنبشی پرتو آلفا ظاهر می شود. سرعت پرتو آلفا در حدود ۱۶۰۰۰كیلومتر بر ثانیه است. این پرتو می تواند در برخی از اجسام نازك نفوذ كرده و از آن ها عبور كند.بتا؛ در واپاشی بتا دو نوع بتا گسیل می شود. بتا مثبت وبتا منفی. بتا منفی از الكترون تشكیل شده و بار الكتریكی آن ۱- و بتا مثبت از پوزیترون(ضد الكترون) تشكیل شده و اندازه بار آن ۱+ است.در برخی از اتم ها، هسته اتم برای آنكه به پایداری برسد، در هسته، یك نوترون به پروتون و الكترون تبدیل می شود، و در نتیجه عدد اتمی هسته یكی افزایش می یابد و عدد جرمی آن ثابت باقی می ماند. در این واكنش هسته ای، یك الكترون از هسته اتم گسیل می شود كه به آن پرتو بتا (منفی) می گویند. الكترون گسیلی، مقداری از انرژی آزاد شده در این واكنش را برای خود می گیرد، كه این انرژی به صورت انرژی جنبشی بتا ظاهر می شود اما در این فرایند مقداری از انرژی توسط پادنوترینو حمل می شود. به همین دلیل، الكترون گسیلی از هسته اتم، در درون اتم قرار نمی گیرد؛ و چون در هسته جدید تعداد پروتون ها بیشتر از الكترون های اتم می باشد، اتم به یون مثبت تبدیل می شود. به طوری كه اگر این واكنش را در یك میدان مغناطیسی قوی قرار دهیم، بتا در یك مسیر و یون مثبت در مسیر خلاف آن منحرف می شود. و این آزمایش نشان دهنده منفی بودن بار بتاست. سرعت بتا در حدود ۱۳۰,۰۰۰ كیلومتر بر ثانیه است.در بعضی از اتم ها، نوكلئید اتم برای رسیدن به پایداری، در هسته یك پروتون به نوترون و پوزیترون (ضد الكترون) تبدیل می شود و در نتیجه عدد اتمی آن یكی كم می شود و عدد جرمی ثابت باقی می ماند. پوزیترون از هسته اتم گسیل می شود كه به آن بتای مثبت می گویند. بتای مثبت مقداری از انرژی آزاد شده در این واكنش را دریافت می كند و همچنین مقداری از انرژی آزاد شده در این فرایند توسط نوترینو حمل می شود. چون در این واكنش تعداد پروتون ها كمتر از الكترون ها می شود در طی این فرایند در مدت زمان بسیار كوتاه، اتم به یون منفی تبدیل می گردد؛ و این امر سبب می شود كه قدرت هسته در جذب الكترون ها، مخصوصا الكترون های سطوح بالا، ضعیف تر شود و به هر الكترون سهم كمتری از نیرو جاذبه برسد. و الكترونی كه در سطح انرژی بالایی قرار دارد، با دریافت حداقل انرژی آزاد شده در واكنش هسته ای، از مدار خود خارج شده و اتم را ترك می كند. الكترون و پوزیترون به یكدیگر برخورد كرده و به انرژی تبدیل می شوند. اگر این واكنش را در اتاقك ابر ویلسون تحت میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار دهیم، مشاهده می كنیم كه الكترون و پوزیترون در خلاف جهت یكدیگر منحرف می شوند و هسته محصول بدون انحراف به مسیر خود ادامه می دهد. واین نشان می دهد كه بتای مثبت از پوزیتورن با بار مثبت تشكیل شده. البته این نوع هسته ها كه بتا مثبت گسیل می كنند در طبیعت تاكنون كشف نشده، و بلكه به دست بشر ساخته شده است.در برخی ازاتم ها، هسته اتم، الكترونی را كه در سطح انرژی اول قرار دارد، جذب می كند. این الكترون در هسته گیر انداخته می شود. این الكترون گیر انداخته شده در هسته با پروتون، یك نوترون را ایجاد می كنند. در نتیجه عدد اتمی یكی كم شده و عدد جرمی ثابت باقی می ماند. كه به این پدیده گیر اندازی الكترون می گویند. گیراندازی الكترون همان اثر گسیل بتا مثبت را دارد. گیر اندازی الكترون موقعی اتفاق می افتد كه نسبت نوترون به پروتون یك نوكلئد پایدار، افزایش یابد. در طی این فرایند چون جای یك الكترون در سطح انرژی اول خالی باقی می ماند، یك الكترون از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی اول منتقل می شود، كه در این انتقال، الكترون مقداری انرژی به صورت تابش گسیل می كند كه این پرتو تابشی در محدوده پرتو ایكس می باشد. البته این نوع نوكلیدها تا كنون در طبیعت یافت نشده است و بلكه در آزمایشگاه ها توسط بشر ساخته شده است.پرتو گاما، یكی از پرتو های گسیلی در واكنش هسته ایست. این پرتو از جنس نور است. طول موج پرتو گاما از پرتو ایكس كوتاهتر است و این نشان می دهد كه انرژی پرتو گاما از پرتو ایكس بیشتر می باشد. در طی واكنش هسته ای، هسته مقداری از انرژی آزاد شده در واكنش را دریافت می كند و به سطح انرژی بالاتری می رود. هسته در مدت زمانی كمتر از ۲۸- ^ ۱۰ ثانیه به سطح انرژی پایدارتری می رود كه در این انتقال مقداری از انرژی دریافتی را به صورت تابشی گسیل می كند. انرژی این پرتو تابشی حتی از پرتو ایكس نیز بیشتر می باشد، كه به این پرتو گسیلی گاما می گویند. پرتو گاما در تمام واكنش های هسته ای مشاهده شده است.

 

[mahdi.adelinasab]

اادامه----->

اادامه----->

طبق آنچه كه گقته شد، شكافت هسته ای می توانند به سه طریق رخ دهند:
۱) هسته اتم های سنگین طبق آنچه كه در بالا به آن اشاره كردیم فرو می پاشند و به هسته های سبكتری تبدیل می گردند. این فرایند همراه با واپاشی پرتوزایی می باشد. مانند شكافت خود به خود اورانیم ۲۳۵.
۲) در برخی از هسته ها(مخصوصا هسته های سبك) ، پروتون ها و نوترون ها به گونه ای در كنار یكدیگر قرار می گیرند كه نیروی هسته ای نمی تواند آن ها را در هسته نگاه دارد و در نتیجه هسته دچار دگرگونی می شود.
۳) اگر هسته را توسط ذراتی مانند پریتیم(پروتون) ،دوتریم،آلفا، نوترون و یا حتی پرتو گاما بمباران كنیم، اگر انرژی این ذرات در هنگام برخورد با هسته به اندازه كافی باشد، هسته دچار دگرگونی می شود، كه در طی این فرایند مقداری انرژی آزاد می شود.
در پرتاب ذرات یونی مانند آلفا و پروتون كه دارای بار الكتریكی مثبت می باشند، انرژی این ذرات باید به اندازه ای تا از یك طرف بتواند بر نیروی رانشی میان خود و هسته غلبه كرده و به آن برخورد كند، و از طرف دیگر بتواند در برخورد با هسته، آن را بشكافاند.در پرتاب نوترون، اگر انرژی نوترون پرتابی، كمتر از مقدار معین باشد، نوترون نمی تواند هسته را بشكافد و نوترون در هسته گیراندازی می شود. با گیراندازی نوترون، تعداد نوترون هسته یكی بیشتر می شود، و در نتیجه عدد جرمی اتم یكی افزایش می یابد. از این طریق ایزوتوپ های مختلف یك عنصر را در آزمایشگاه می سازند. اما اگر انرژی جنبشی نوترون بیشتر از حد معین باشد، این نوترون می تواند هسته اتم را بشكافد و در نتیجه شكافت هسته ای رخ می دهد. به این نوترون های با انرژی جنبشی زیاد، نوترون های حرارتی می گویند. از نوترون های حرارتی در نیروگاه های اتمی و همچنین بمب اتمی استفاده می كنند. پرتو گاما كه حامل انرژی است می تواند با انرژی خود ذراتی را در درون هسته قرار دارند را به بیرون پرتاب كند.
همجوشی :
واكنش همجوشی، فرایندی است كه در طی آن دو(یا چند) هسته سبكتر باهم برخورد كرده و به هسته(های) سنگین تر تبدیل می شود. در این واكنش جرم محصولات كمتر از جرم اولیه است، پس در طی این فرایند مقداری جرم به انرژی تبدیل می شود. هسته ها دارای بار الكتریكی مثبت می باشند پس در فرایند همجوشی باید بر نیروی رانشی میان هسته ها غلبه كرد، تا بتوانیم هسته ها را به یكدیگر برخورد دهیم تا در این برخورد هسته سنگین تر تولید شود. پس لازمه شرایط ایجاد فرایند همجوشی، فراهم كردن انرژی لازم برای برخورد كردن هسته ها به یكدیگر می باشد. به همین دلیل فرایند همجوشی در دماهای بسیار بسیار بالا رخ می دهند. با آزاد شدن انرژی در فرایند همجوشی، این مقدار انرژی، می تواند شرایط لازم را برای ایجاد واكنش های همجوشی دیگر، فراهم كند. در فرایند همجوشی، كه دمای محیط بسیار بسیار بالاست ماده در حالت پلاسماست. نمونه بارز این پدیده، خورشید می باشد، كه دمای هسته آن به بیش از ۲۰میلیون كلوین می رسد.
پایان سفر
سفر ما به اعماق هسته و دیدار با ذرات زیر اتمی به پایان رسید و امیدوارم که نانو راهنمای خوبی برای شما در این سفر بوده باشد.

 

[Niima]

نانو فناوری در خدمت کاهش سوراخ لایه اوزون

نانو فناوری در خدمت کاهش سوراخ لایه اوزون

دانشمندان دانشگاه الم در آلمان بر این باورند که با کمک نانوفناوری راه حل بالقوه ای برای جلوگیری از سوراخ شدن لایه اوزون کشف کرده اند .

آنان به پدیدهای برخوردند که می تواند CFCها ی نابود کننده اوزون را از هوا جدا سازد. آنها کشف کرده اند که تعلیق ذرات پلی استایرن در آب می تواند پر فلوئورودکالین را جذب کنند.گفتنی است پرفلوئورودکالین با خواص مشابه CFCها برای ساخت فرورده های خونی به کار می رود.

قطره های پرفلوئورودکالین با نانو کره های خود ساخته پلی استایرین در بر گرفته میشودوبه همین صورت نانو ذرات در اتمسفر از قبیل قطره های ابری شکل فوق سرد شده یا لایه شبه مایع بر روی بلورهای یخ می توانند CFC ها را جدب کنند و آنها را همراه با باران وبرف به زمین برگردانند.

این پژوهشگران در آزمایشهایشان از نانوکره های پلی استایرنی استفاده کردند که از لحاظ ابعاد مشابه ذرات جامد آئروسل ناشی از آلودگی صنعتی است . تصور می رود این ذرات بر آب وهوا اثر منفی دارندزیرا جلوی تابش آفتاب را می گیرند ونزولات جوی را بهبود می بخشند . اما آنان اعتقاد دارند که این ذرات می توانند غلظت استراتوسفری CFC ها را کاهش دهند.این پژوهش همچنین نشان می دهد که می توان نانوذرات مشابهی را طراحی کرد وبرای جذب CFC ها به اتمسفر فرستاد.

منبع : http://nassihat.mihanblog.com/Post-154.ASPX

 

[mahdi.adelinasab]

نانو سیلورها

نانو سیلورها

امروزه به کمک علم پزشکی، هر روز به تعداد بیماریهایی که قابل درمان می باشند، افزوده می شود. این کار به وسیله داروهایی انجام می شود که عوامل بیماری را از بین برده و سلامت را به انسان باز می گردانند.
در راستای تحولات اخیر زندگی انسان، علم نانو تکنولوژی توسعه یافته و تقریبا ً در همه رشته های علمی، نشانه هایی از آن یافت می شود. محققان نانو تکنولوژی با فناوری جدیدی در رابطه با نانو ذرات آشنا شده اند که ممکن است نقش بسیار زیادی در پزشکی آینده ایفا کند.
در فناوری نانوسیلور(Nano Silver )، یونهای نقره به صورت کلوییدی در محلولی به‌ حالت سوسپانسیون قرار دارند که خاصیت آنتی باکتریال ( ضد باکتری)، آنتی فونگاس ( ضد قارچ) و آنتی ویروس دارند.

سوسپانسیون:
به مخلوط کلوئیدی جامد در مایع سوسپانسیون گفته می شود. سوسپانسیون ها در حالت عادی ناپایدار هستند و با گذشت زمان ذرات آنها ته نشین شده و در اثر این پدیده فاز مایع از جامد جدا می شود. آب گل آلود نمونه ای از یک سوسپانسیون طبیعی است.
هر چند این فناوری به تازگی مورد توجه زیادی قرار گرفته و رونق بسیاری پیدا کرده ، اما از آن در طب قدیم استفاده می شده بدون آنکه دلیل تاثیر آن شناخته شود وحتی در جنگ برای کنترل عفونت زخم سربازان از سکه های نقره استفاده می شده است .
محلول های نانو سیلور از یونهای نقره در اندازه های 100-10 نانومتر (9- 10) تشکیل شده اند و در مقایسه با محلولهای دیگر پایداری بیشتری دارند.
یونهای نقره به دلیل اندازه کمی که دارند، سطح تماس بیشتری با فضای بیرون دارند و تأثیر بیشتری برمحیط می گذارند.

نانو ذرات نقره
این محلول را میتوان به عنوان داروی خوراکی استفاده کرد که در آن صورت ، محلول باید از 80 % نقره عادی (فلز) و 20 % یون نقره تشکیل شود، زیرا یونها در معده با اسید هیدروکلریک واکنش داده و نقره کلرید درست می شود که خاصیت خود را از دست می دهد.
برای مصرف این دارو به صورت خوراکی بهتر است از محلولی با غلظت 20ppm استفاده شود تا تأثیر بیشتری در بدن داشته باشد. از نانو سیلور به عنوان دارو می توان در درمان بیماریهای پوستی ،جوش و ... ، انواع جراحات و سوختگی ها، بیماریهای باکتریایی و قارچی ، بیماریهای گوارشی ، بیماریهای جنسی و ... استفاده کرد .
نقره در ابعاد بزرگتر، فلزی با خاصیت واکنش دهی کم میباشد، ولی زمانیکه به ابعاد کوچک در حد نانومتر تبدیل میشود خاصیت میکرب کشی آن بیش از 99 درصد افزایش می یابد، به حدی که می توان از آن جهت بهبود جراحات و عفونتها استفاده کرد. نقره در ابعاد نانو بر متابولیسم، تنفس و تولید مثل میکروارگانیسم اثر می گذارد. تاکنون بیش از 650 نوع باکتری شناخته شده را از بین برده است.

دو مکانیسم عمده نانو نقره ها عبارتند از :
1- مکانیسم کاتالیستی : تولید اکسیژن فعال توسط نقره، این مکانیسم بیشتر درمورد کامپوزیت2های نانو نقره ای صدق میکند که روی پایه های نیمه هادی مانند TiO2 یا SiO2 قرار گرفته می شود. در این وضعیت ذره مانند یک پیل الکتروشیمیایی3عمل میکند و با اکسید کردن اتم اکسیژن، یون اکسیژن و با هیدرولیزکردن آب، یون OH- را تولید می کند که هر دو از بنیان های فعال و از قوی ترین عاملین ضد میکربی نیز می باشند.
2- مکانیسم یونی: دگرگون ساختن میکروارگانیسم به وسیله تبدیل پیوند های SH ــ به Sag.

دراین مکانیسم ذرات نانونقره فلزی به مرور زمان یونهای نقره از خود ساطع می کنند. این یونها طی واکنش جانشینی، باندهایSH- را در جداره میکروارگانیسم به باندهای -SAg تبدیل می کنند، که نتیجه ای واکنش تلف شدن میکروارگانیسم است.

خصوصیات نانو سیلور :
1- تاثیر بسیار زیاد
2- تاثیر سریع
3- غیر سمی
4- غیر محرک برای بدن
5- غیر حساسیت زا
6- قابلیت تحمل شرایط مختلف (پایداری زیاد)
7- آب دوست بودن
8- سازگاری با محیط زیست
9- مقاوم در برابر حرارت
10- عدم ایجاد و افزایش مقاومت و سازگاری در میکروارگانیسم
از دیگر قابلیتهای نانو سیلور، اضافه شدن به الیاف، پلیمر، سرامیک، سنگ، رنگ و... ، بدون تغییر دادن خواص ماده است.

موارد استفاده پلیمرهای نانو سیلور:
1- شیشه شیر و پستـــانک نوزادان ،مسواک و برسهای بهداشتی حمام و ...
2- ظروف پلاستیکی ( غذایی ، دارویی ، آرایشی )
3- لوازم خانگی(یخچال، جارو برقی، ماشین ظرف شویی، سیستم تهویه و تصفیه هوا و رطوبت زا)
4- مواد بسته بندی برای تازه و بهداشتی نگه داشتن مواد غذایی
5- بدنه وسایلی که انسان مداوم با آن تماس دارد( گوشی موبایل ، کیبورد و ...)

خصوصیات پلیمرهای نانو سیلور آنتی باکتریال :
1- اندازه ذرات نقره کمتر از 20 نانو متر است
450ppm2- غلظت تقریبی
3- مطابق با شرایط مختلف جوی
4- آنتی اسید و آنتی آنیون
5- سازگار با محیط زیست و غیر سمی
6- بی ضرر برای انسان
7- تاثیر داشتن روی باکتریها ، قارچها و... و خوشبو کننده
8- قابلیت از بین بردن ویروسها
9- صرفه اقتصادی و قابل رقابت از نظر عملکرد با دیگر فراورده ها

این پلیمرها باید در محیط سرد و خشک و به دور از آفتاب نگهداری شوند که تحت این شرایط تا دو سال قابل نگهداری هستند.
ذرات نانو سیلور را می توان به صورت پودر درآورد و در مواد و وسایل مختلف استفاده کرد ( مسواک ، خمیر دندان ) ، که در آن صورت به محض تماس ماده با آب ، نقره فعال شده و خاصیت آنتی باکتریال پیدا می کند.
طی آزمایشی که اخیرا دانشمندان، روی درمان بیماران مبتلا به ایدز به وسیله نانو سیلور انجام داده اند، متوجه شدند که ویروسهای HIV نوع1، به طور کامل از بین رفته اند و بدین ترتیب دانشمندان امیدوار شده اند که شاید بتوان این ویروس را به طور کامل از بین برد.
نانو سیلور یک دستاورد شگرف علمی از نانو تکنولوژی است که در عرصه های مختلف پزشکی، صنایع مختلف مثل کشاورزی و دامپروری و بسته بندی، لوازم خانگی، آرایشی، بهداشتی، و نظامی کاربرد دارد. این فناوری از طریق کنترل فعالیت عوامل بیماری زا در خدمت بشر می باشد. از این رو، به لحاظ بازدهی بالا، عملی بودن ، و افزایش ظرفیت ها و مقرون به صرفه بودن از نظر اقتصادی و سازگاری با محیط زیست و ماندگاری بسیار زیاد، در مقایسه با دیگر روشهای بهبود فرآوری و تولید، ارجحیت دارد.

 

[mahdi.adelinasab]

كاهش نشر دي اكسيد كربن حين ساخت سيمان به كمك فن آوري نانو

كاهش نشر دي اكسيد كربن حين ساخت سيمان به كمك فن آوري نانو

گزارش سرويس فن آوري خبرگزاري دانشجويان ايران(ايسنا)، علاوه ‌بر اين، مطالعه اين که چگونه ذرات سيمان به هم چسبيده و سفت مي‌شوند، مي‌تواند در پيدا کردن راهي براي کاهش چشمگير دي اکسيد کربن منتشر شده در حين ساخت آنها موثر باشد.
روش قديمي ساخت سيمان شامل حرارت دادن مخلوط سنگ آهک و خاک رس در دماي 1500درجه سانتي گراد و مخلوط کردن آن با آب مي‌باشد که در نهايت به هيدريد سيليکات کلسيم که آنرا به اختصار C-S-H مي‌نامند تغيير شيميايي مي‌دهد اما Franz Josef و همکارانش در موسسه فن آوري ماساچوست (MIT) با بررسي رفتار و تغييرات ذرات C-S-H در مقياس ميکروسکوپي به روش جديدي براي توليد سيمان دست يافتند.
دکترUlm از اعضاي اين گروه مي‌گويند: اين، تراکم چيدمان نانوذرات C-S-H است که باعث بروز خواص موجود در سيمان مي‌شود نه طبيعت شيميايي آنها.
وي معتقد است که جايگزين کردن ماده ديگري با همين تراکم چيدمان مي‌تواند به توليد سيماني منجر شود که براي توليدش به دماي بالا نياز نخواهد بود.
اين امر به حذف مرحله پخت سيمان در کوره که باعث توليد مقادير زيادي CO2 مي‌شود، منجرمي شود و به اين ترتيب مي‌توان اميدوار بود که در آينده باعث کاهش نشر جهاني CO2 از صنايع سيمان شود که در حدود 10 درصد از کل توليد دي‌اکسيد کربن در دنيا است.
گروه وي هم‌اکنون در حال تحقيق بر روي منيزيم به عنوان جايگزيني براي کلسيم هستند.
Bartosz Grzybowski و همکارانش در دانشگاه Northwestern مشکل ديگري را در مقياس نانو حل کرده‌اند.
نانو ذرات فلزي و آلياژهاي فلزي داراي برخي خواص نوري و شيميايي هستند که در مقياس بزرگ و به صورت توده‌اي بروز نمي‌کنند. جمع‌آوري اين ذرات به محصولات مفيد و به مقدار زياد کاري مهارت‌آميز است.
به گزارش ايسنا از ستاد ويژه توسعه فن آوري نانو، آنها قصد دارند تا ساختارهاي سختي را ايجاد کنند که تبديل آنها به اشکال مفيد مشکل است.
اين گروه در حال حاضر در حال مطالعه بر روي چگونگي اتصال نانوذرات با يکديگر و با مواد ديگر در يک محلول هستند.
گزارش آنها در شماره اين ماه مجله Science طرحي را بيان مي‌کند که در آن، نانوذرات در اثر خودآرايي به ماده بتونه مانندي که به آساني مي‌تواند به هر شکلي قالب‌بندي شود، در مي‌آيند.
گرم کردن اين خمير تا دماي 50 درجه سانتی گراد آنرا مانند يک ظرف سفالي سخت مي‌کند و هيچ CO2 نيز توليد نمي‌شود.
اين کار، چشم اندازي در توليد مواد رساناي الکتريکي فلزي مي‌گشايد که مي‌توانند براي اهداف متعددي مورد استفاده قرار گيرند.

 

[mahdi.adelinasab]

شمشيرهاي مسلمانان در جنگهاي صليبي حاوي نانولوله‌هاي كربني بوده‌است

شمشيرهاي مسلمانان در جنگهاي صليبي حاوي نانولوله‌هاي كربني بوده‌است

تحقيقات جديد دانشمندان آلماني نشان مي‌دهد مسلمانان در جنگهاي صليبي از شمشيرهايي استفاده مي‌كردند كه فولاد آنها داراي نانولوله‌هاي كربني بوده‌است.

به گزارش سايت اينترنتي "نيوساينتيست"، شماره ‪ ۴۴۴از مجله علمي "نيچر" در گزارش جديدي به نقل از محققان آلماني اعلام كرده‌است مسلمانان در قرون وسطي از شمشيرهايي موسوم به شمشير دمشقي استفاده مي‌كرده‌اند كه از ويژگي‌هاي مكانيكي بسيار جالبي برخوردار بوده‌اند.

مسلمانان از سال ‪ ۹۰۰ميلادي تا سال ‪ ۱۷۵۰ميلادي براي ساخت شمشيرهاي دمشقي از

نوعي فولاد هندي به نام

Wootz

استفاده مي‌كرده‌اند. محققان دانشگاه "درسدن" آلمان در مطالعه‌اي جديد نمونه‌هايي از شمشيرهاي مسلمانان متعلق به قرن هفدهم ميلادي را زير ميكروسكوپ الكتروني بررسي كرده و به نشانه‌هاي روشني از وجود نانوله‌هاي كربني درون فولاد مورد استفاده در شمشيرها دست يافته‌اند.

به گفته "پيتر پاوفلر" محقق اين دانشگاه، احتمالا روش خاص آهنگري مورد استفاده در ساخت اين شمشيرها سبب تشكيل نانولوله‌هاي كربني در آنها و برخورداري اين شمشيرها از استحكام مكانيكي بسيار بالا مي‌شده‌است

ایرنا

 

[mahdi.adelinasab]

ساخت فيلم‌هايي از جنس نانولوله‌هاي كربني تك جداره

ساخت فيلم‌هايي از جنس نانولوله‌هاي كربني تك جداره

محققان دانشگاه Rice و دانشگاه ‌Houston آمريكا با تبخير قطرات آب حاوي سورفكتانت و نانولوله‌هاي كربني تك جداره توانستند فيلم‌هايي از جنس نانولوله‌ با ضخامت تقريبي 100 نانومتر بسازند.
Matteo Pasquali از محققان اين طرح مي‌گويد: ما مي‌توانيم فيلم‌هاي شفافي از جنس نانولوله‌هاي كربني تك جداره بسازيم، که به ندرت روش‌هايي براي ساخت اين قبيل فيلم‌ها وجود دارد.
Pasquali و همكارانش قطره‌اي به حجم 1µl از يك محلول آبي سورفكتانت Pluronic F68 را كه شامل نانولوله‌هاي كربني تك جداره بود، روي يك اسلايد شيشه‌اي قرار دادند. اين سورفکتانت داراي دو زنجيره پلي‌اتيلن اكسيد (PEO) آب‌دوست مي‌باشد و توسط يك زنجيره پلي‌پروپيلن اكسيد(PPO) آب‌گريز به هم متصل مي‌شوند.
آرايش اين زنجيره‌هاي PPO در فصل مشترك آب و هوا شكل مي‌گيرد، در حالي كه زنجيره‌هاي PEO كاملاً داخل قطره باقي مي‌مانند. در عين حال نانولوله‌ها هم با انجام خودآرايي به صورت هلالي در سطح قطره در مي‌آيند. به نظر محققان، F68 شبكه‌اي پيچيده در سطح تشكيل مي‌دهد كه باعث به دام افتادن نانولوله‌ها مي‌شود. با ادامه تبخير آب، هلالي روي سطح زيرلايه‌اي كه پايين آن است مي‌افتد.

الگوي حاصل از پراكندگي نانولوله كربني تك جداره سورفکتانت كه با خشك شدن قطره آب محتوي آن پديد مي‌آيد. اين تصوير به پهناي تقريباً mm 1 است و زير نور قطبي قابل مشاهده مي‌باشد​

محققان مي‌گويند، با درك مكانسيم اين فرايندها نشان داده‌اند كه اين سيستم بسيار شبيه خشك شدن يك محلول پليمري است و به همين دليل مي‌توان آن را كنترل نموده و به ديگر محلول‌ها نظير پوشش‌هاي پيوسته هم تعميم داد. از تكرار اين فرآيند با سورفكتانت سديم دودسيل سولفات (SDS)، نتايج متفاوتي به دست آمد. اين بار نانولوله‌ها به جاي اين كه به حالت هلالي روي سطح قطره درآيند، در مركز قطره‌ها قرار گرفتند. محققان دليل اين امر را كافي نبودن بزرگي مولكول‌هاي SDS در امر تشكيل يك شبكه پيچيده در سطح قطره و بدام انداختن نانولوله‌ها مي‌دانند.
البته بايد توجه داشت كه تمام سورفكتانت‌ها درا ين جا قابل استفاده نيستند و دليل آن هم مكانيسم تشكيل هلال است. به نظر محققان بيشترين كاربرد اين روش ساخت پوشش‌هاي نازك از نوع نانولوله‌هاي كربني تك جداره است. كه اين كار هم با روش جريان فيلم مايع انجام مي‌شود. براي ساخت فيلم‌هاي رسانا ممكن است نياز به گرم كردن ماده داشته باشيم كه اين گرم كردن باعث از بين رفتن مولكول‌هاي سورفكتانت و يا استفاده از غلظت بيشتري از نانولوله‌ها در قطره‌هاي آب مي‌شود تا بتوان همچنان تعداد تماس نانولوله‌ها را افزايش داد. هم‌اكنون اين گروه از محققان در حال بررسي چگونگي حركت نانولوله‌ها در مايعات و چگونگي تأثير عواملي مانند نوع سورفكتانت بر حرکت و يا محدود شدن حرکت توسط ديواره‌هاي مجاور مي‌باشند.گزارش كار اين محققان در Advanced Materials آمده است.

 

[mahdi.adelinasab]

نانو لوله‌هاي کربني جاذب با آستانه تراوايي کمتر

نانو لوله‌هاي کربني جاذب با آستانه تراوايي کمتر

دانشمندان مرکز تحقيقات پاسکال فرانسه، پديده‌اي کشف کرده‌اند که مي‌تواند هزينه ساخت کامپوزيت‌هاي رسانا را کاهش دهد. اين تيم دريافته‌اند، با افزايش جذب نانولوله‌هاي کربني در محلول، آنها مي‌توانند آستانه تراوايي (غلظتي از نانولوله‌ها که در آن لوله‌ها، يک شبکه پيوسته را تشکيل مي‌دهند) را کاهش دهند. اين بدان معني است که آنها مي‌توانند کامپوزيتهاي رسانا با نانولوله‌هاي کمتر را بسازند.

پائولين به nanotechweb.org گفت: تراوايي ميله‌هاي رسانا، کاربردهاي بسيار وسيعي در مواد محافظ الکترومغناطيسي و آنتي استاتيک، رنگ‌ها و کامپوزيت‌ها، الکترونيک و صنايع بسته‌بندي و غيره دارد. ايده محققان براي رسانا کردن مجموعه اي که در ابتدا نارسانا بوده، اضافه کردن کمترين مقدار ممکن از پرکننده‌هاي رسانا است.
اين محققان محلولي از نانولوله‌هاي کربني تک ديواره را در آب توليد کردند که توسط سورفکتانت يوني سديم دودسيل سولفات پايدار شده بود تا بتوانند با تغيير غلظت سورفکتانت قدرت جذب بين نانولوله‌ها را تنظيم کنند.اين پديده آنها را قادر ساخت، مقدار آستانه تراوايي را تا 3/1کاهش دهند.
پائولين گفت: تغييرات بسيار جزئي در شرايط – اختلاف بسيار کم در غلظت مادة توزيع شونده – مي‌تواند اثرات بسيار قوي داشته باشد، از آنجائيکه اين اثرات بسيار بزرگ مي‌باشد لازم است، بطور خيلي دقيقي برهم کنش بين نانو لوله‌ها را کنترل کرد. ما پتانسيل برهم کنش بين نمونه‌هاي مختلف را گاهي اوقات فقط با KT0001/0 تغيير مي‌دهيم، که در آن KT بيانگر انرژي حرارتي مي‌باشد و چنين تغيير بسيار کوچکي مي‌تواند اثر قابل توجهي بر روي تراوايي داشته باشد.
هم اکنون محققان در نظر دارند، تصور خود را جهت پوشش‌ها و کامپوزيت‌هاي واقعي بکار گيرند تا ببينند که آيا اساساً مي‌توانند آستانه تراوايي را کاهش دهند يا خير.
پائولين در ادامه افزود: اخيراً ما شروع به ساخت فيلم‌هاي پليمري آغشته با نانولوله‌ها کرده‌ايم و سعي داريم، با تغيير عکس‌العمل‌ها ببينيم، چگونه مي‌توان آستانه تراوايي را تغيير داد. نتايج اين تحقيقات رضايت‌بخش بود، اما جهت اطمينان بيشترکاربردهاي عملي لازم است.