مشخصه یابی مواد نانو مشخصه یابی مواد نانو؛ ضرورت و دسته بندی پس از فرآیند ساخت و تولید، ما به ابزارها و تکنیکهایی نیاز داریم تا ثابت و تبیین کنیم که مواد، ابزار و یا سیستمهایی را در مقیاس نانو ساختهایم. از طرفی ابزارها و دستگاههای ِ ساده مانند میکروسکوپهایی که هم اکنون در آزمایشگاهها از آن استفاده میکنیم، برای مشاهده دنیای نانو کارآمد نیست. اندازهگیری خواص و مشخصهیابی نانوساختارها نیازمند روش و ابزارهای توسعه یافته است. مشخصهیابی مواد نانو در واقع، تعیین مشخصات متنوع ِ نانوساختارها اعم از اندازه ذرات (بین 1تا 100 نانومتر)، شکل ذرات (کروی، سوزنی، لولهای، بیشکل و ...)، خواص نوری، خواص مکانیکی، خواص سطحی (زبری، یکنواختی و ..)، خواص مغناطیسی و .. میباشد. برای تعیین هر یک از خصوصیات ذکر شده از ابزار و تکنیکهایی استفاده میشود که اطلاعات دقیق و مفیدی را از ابعاد نانو به ما بدهد. از آنجا که خواص منحصر به فرد نانومواد به شدت وابسته به اندازه ذره، ساختار سطحی و برهمکنشهای بین ذرات تشکیل دهندهی ِ آن هاست، بنابراین، مشخصهیابی نانومواد در توسعه و کاربردی کردن نانومواد بسیار مهم هستند. روشهایی که جهت مشخصهیابی و آنالیز خواص نانومواد استفاده میشود عبارتند از: 1. روشهای پرتو ایکس 2. میکروسکوپ الکترونی 3. میکروسکوپ پروپی روبشی ( Scanning Probe Microscopy (SPM 4. روشهای اندازهگیری خواص مغناطیسی 1. روشهای پرتو ایکس این روشها شامل: الف: پراش پرتو ایکس (X- Ray Diffraction (XRD ب: طیف سنجی فتوالکترونی پرتو ایکس ( X- Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS میباشد. روش اول از طریق پردازش و آنالیز پرتو ایکس ِ بازگشتی از سطح نمونه، به بررسی اندازهی دانهها در نانوذرات میپردازد، و روش دوم برای مطالعهی ترکیب شیمیایی سطح نمونه استفاده میشود. 2. میکروسکوپ الکترونی میکروسکوپهای الکترونی شامل دو نوع زیر است: الف: میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy (TEM ب: میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscopy (SEM میکروسکوپهای الکترونی از بهترین ابزار برای بررسی اندازه و شکل نانومواد میباشند. این نوع از میکروسکوپها نیز همانند میکروسکوپهای ِ نوری، تصویری از سطح ماده را به ما میدهند. با این تفاوت که، دقت میکروسکوپهای الکترونی بسیار بیشتر از میکروسکوپهای نوری میباشد و همچنین، در میکروسکوپهای الکترونی به جای نور از الکترونهایی استفاده میکنند که انرژی زیادی در حد چند هزار الکترون ولت دارند. این انرژی هزاران بار بیشتر از انرژی یک فوتون (2 تا 3 الکترون ولت) میباشد. 3. میکروسکوپ پروبی روبشی این نوع میکروسکوپ نیز خود شامل دو نوع می باشد: الف: میکروسکوپ تونلی روبشی (Scanning Tunneling Microscopy (STM ب: میکروسکوپ نیروی اتمی (Atomic Force Microscopy (AFM این نوع میکروسکوپ برای به دست آوردن تصاویر سه بعدی از نانومواد بسیار مناسب میباشند. این روش علاوه بر پستی و بلندی سطح، می تواند امکان تعیین ساختار سطحی، ساختار الکترونیکی، ساختار مغناطیسی و یا هر خاصیت موضعی دیگر را فراهم آورد. نوع الف این میکروسکوپها بیشتر برای آنالیز شیمیایی سطوح رسانا در شرایط خلأ استفاده میشود. اما نوع ب بستگی به رسانا بودن سطح نمونه ندارد و یکی از کاربردهای بسیار مهم آن اندازهگیری خواص مکانیکی نانولولههای کربنی است. 4. روشهای اندازه گیری خواص مغناطیسی هدف از مغناطیسسنجی، اندازهگیری میزان مغناطش نانومواد است که با روشهای گوناگون و با استفاده از پدیدههای مغناطیسی مختلف میتواند انجام شود. دو روشی که به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند عبارتند از: الف: مغناطیس سنج با نمونه ارتعاشی ( Vibration Sample Magnetometer (VSM ب: منحنیهای مغناطش بر حسب دما (منحنی ZFC و منحنی FC) در روش اول نمونه پس از مراحل آمادهسازی در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار گرفته و منحنی مغناطش آن بر حسب میدان اعمالی (منحنی پسماند ) رسم میشود. با بررسی و تفسیر منحنی پسماند میتوان میزان مغناطش و بسیاری از مفاهیم دیگر مغناطیسی در نانومواد را به دست آورد. نانو الکترونیک یکی از پرکاربردترین شاخه های فناوری نانو می باشد که در سال های اخیر پیشرفت زیادی داشته و به کمک شاخه های دیگر علم آمده است. کامپوزیت ترکیبی است که از لحاظ ماکروسکوپی از چند ماده متمایز ساخته شده باشد، به طوری که این اجزاء به آسانی از یکدیگر قابل تشخیص باشند. نخبگان
موضوع تحقیق :نانو کامپوزیتها این مواد از دو یا چند جزء مجزا که یک یا چند جزء آنها ابعاد کمتر از 100 نانو متر دارد . خواص قطعه تولید شده به مراتب بالاتراز خواص قطعه ای خواهد بود که با پودر هایی در ابعاد میکرونی ساخته می شود . به عنوان مثال قطعه تهیه شده از پودرهای نانو متری مس مقاومتی معادل 5 برابرقطه تهیه شده ارپودرهای میکرومتری دارد . آمریکا : سرمایه گذاری در حدود 770 میلیون دلار در سال 2003 و رشد %5.9 در هرسال . ژاپن : اختصاص مبلغ 431 میلیون دلار در سال 2001 ایران : اختصاص بودجه در حدود 20 میلیون دلار در سال 1383 . انواع نانو کامپوزیتها را میتوان براساس ماده زمینه آنها به شرح زیر طبقه بندی کرد : • Polymer matrix nano composites (PMNCs) • Ceramic matrix nano composites (CMNCs) • Metal matrix nano composites (MMNCs) • Intermetallic matrix nano composites (IMNCs) خواص خواص سرامیکها : مقاومت حرارتی بالا – پایداری شیمیایی خوب – استحکام مکانیکی مناسب . عیب : بدلیل وجود پیوندهای یونی و کووالانسی چقرمگی شکست آنها پایین است . رفع مشکل : اضافه کردن و جا سازی الیاف و ذرات مناسب . نکته : اگر این تقویت کننده ها ابعاد نانو متری داشته باشند , بالاترین چقرمگی شکست بدست می آید Wc/Mgo : در این نانو کامپوزیت ذرات Mgoدر زمینه wc جاسازی شده اند . Si3N4/Sic: خواص چقرمگی و استحکام بالا مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون Al2o3/Ni : سختی و استحکام دیرگدازی مناسب , ولی تردی زیاد Al2o3/Sic خواص کامپوزیتهای زمینه فلزی کم وزن وسبک استحکام و سختی بالا کاربرد وسیع در صنایع خودرو و هوا فضا عیب : کم بودن قابلیت کشش رفع مشکل : تبدیل ذرات به نانو Mg/Sic : نانو کامپوزیتهای زمینه منیزیم کاربردهای فراوانی دارد . خواص: چگالی کم استحکام بالا مقاومت به خزش بالا پایداری حرارتی مناسب روش تولید آسیاب کردن پودرهای منیزیم,آلومنیوم,تیتانیوم امواج مافوق صوت Cu/Al2o3 روش تولید : ابتدا ذرات Al وCu توسط آسیاب گلوله ای آسیاب شده و پودرآلیاژی Cu-Al تولید می شود . هت استحکام بخشی به این ساختار پودر Cuo اضافه شده و مخلوط حاصل مجددا آسیاب می شود . ادامه آسیاب منجر به تشکیل محلول جامد Cu(Al) می شود . واکنش Cuo با این محلول و تولید ذرات Al2o3 با اندازه کمتر از 100 نانو درزمینه مسی . خواص عمده : استحکام بالا و هدایت الکتریکی بالا کاربرد : ساخت الکترودها – اتصالات الکتریکی نانو کامپوزیتهای زمینه فلزی حاوی نانو لوله کربنی Al/MWCNT : استحکام کششی و درصد ازدیاد طول با آنیل در دمای 540 بسیار کم تغییر می کند . در مقابل برای Al خالص در این دما تغییرات عمده ای ایجاد می شود . Ti/MWCNT : مدول یانگ و سختی ویکرز به ترتیب 1.7و5.5 برابر تیتانیوم خالص . Ni-P/MWCNT : به عنوان پوشش مقاوم استفاده می شود . ضریب شکست کمی دارند . Cu/MWCNT : سختی بالا وضریب شکست پوشش آن بسیار کم است. ازمهمترین ترکیبات بین فلزی NiAl است . خواص دمای ذوب بالا645 وچگالی پایین مقاومت در برابراکسیداسیون و قابلیت کارپذیری بالا هدایت حرارتی عالی و هدایت الکتریکی بالا عیب : مقاومت خزشی پایین روش بهبود مقاومت خزشی : استفاده ازیک فازثانویه نظیر Sic و Tic جهت تولید کامپوزیت NiAl می باشد . روش تولید NiAl/Tic : پودرعناصرNi,Al,C,Ti رادرون دستگاه آسیاب قرارمیدهند .ضمن انجام واکنشهای لازم , ذرات Tic در زمینه نانو ساختاری NiAl قرار میگیرند . پراکندگی : توزیع یکنواخت فاز تقویت کننده در ماده زمینه . آرایش : عدم کنترل بر روی جهت و راستای نانو لوله ها تاثیر مهمی در خواص دارد . ارزش اقتصادی : روش تولید تقویت کننده باید از نظر ارزش افزوده مورد توجه قرار گیرد . Nanostructure Coating پوششهای نانو کامپوزیتی از مهمترین این پوششها می توان به Al2o3/13Tio2 اشاره کرد . استحکام پیوندها 2 برابر وچقرمگی 2 تا 4 برابر پوششهای معمولی است . کاربرد : بدنه کشتی ها وزیردریایی ها نکته : عملکرد پوششهای نانو ساختار و معمولی را می توان از روی چگونگی اشاعه ترکها با یکدیگر مقایسه کرد . صنایع اتومبیل سازی و هوا نوردی : بدنه های سبک با استفاده از نانو کامپوزیت ها , لاستیک هایی با مقاومت سایش بهتر, پلاستیکهای ارزان غیر قابل اشتعال , پوشش های خود ترمیم محیط زیست : امکان بازیافت بسیاری از مواد مواد و شیمی : کاتالیزورهایی که راندمان واکنشهای شیمیایی را به سدت بالا میبرند . دریل های بسیار مقاوم و سخت , ابزارآلات برش , فولادها و آلیاژها حتی مقاومتر از الماس الکترونیک وارتباطات : تکنولوژی بی سیم دارو سازی وبهداشت : قطعات برای جایگزینی اعضای بدن تکنولوژی انرژی : انواع جدید باطری ها
اختفاي هواپيماها از امواج رادار با فنآوري نانو محقق ايراني موفق به ساخت نانوكامپوزيت جاذب امواج رادار شد دانشياردانشگاه آزاد اسلامي از ساخت نانوكامپوزيتي با قابليت جذب امواج رادار خبرداد كه ميتوان از آن در توليد پوششهاي ضدرادار هواپيماها استفاده كرد. دكتر سيد حسين حسيني در گفتوگو با ايسنا با اشاره به تهيه پوششهاي ضد راداري كه از جذابيتهاي ويژهاي برخورداراست، گفت: باند رادار بين 8 تا 12 گيگا هرتز متغيير است و امواجالكترومغناطيس با امواج راداري داراي ميدان الكتريكي و ميدان مغناطيسيهستند كه با استفاده از اين تركيبات ميتوان موج الكتريكي امواج راداري راجذب و انرژي آنرا تبديل به حرارت كرد و باعث ميرايي اين امواج شد. وي تصريح كرد: بحث دومامواج الكترومغناطيسي خاصيت مغناطيسي امواج بوده كه مربوط به ميداني استكه امواج ايجاد ميكنند. نانوذرات مغناطيسي قادرند با ايجاد ميدانهايمغناطيسي بسيار كوچك باعث جذب امواج راداري شوند. در اين پروژه بانانوكامپوزيت كردن نانوذرات مغناطيسي و پليمرهاي رسانا قادر به جذب مقدارقابل ملاحظهاي جذب امواج ميكروويو و محدوده راداري شديم. عضو هيات علمي دانشگاهآزاد اسلامي واحد اسلامشهر گفت: در تكميل اين طرح توانستهايم به توليدنانواليافها و نانوروكشهاي پليمري با خاصيت رسانش و مغناطيسي توام دستيابيم كه خاصيت جذب الكترو مغناطيسي در طول موج رادار را داراست. به اينترتيب ميتوان دامنه كاربردي اين مواد را توسعه داد. وي افزود: در ساخت اينپليمرها با خواص منحصر به فرد گامهاي مختلف و موثري نيز برداشته شده است. علاوه بر توليد نانوذرات مغناطيسي در بسترهاي پليمري رسانا، تهيه نانوذراتمغناطيسي با اشكال مختلف مانند نانوحفره، نانو فلك، نانوپرك و نانوميله وغيره نيز در دستور كار قرار گرفت كه نتايج بسيار قابل ملاحظهاي نيز بهدست آمد و قابليت جذب امواج افزايش پيدا كرد. حسيني در خصوص كاربردهاياين نانوذرات گفت: در مواقعي كه هواپيماها با اين تركيبات پوششدهي شدهباشند امواج رادار جذب شده و حداقل انعكاس را خواهيم داشت.
چرا نانو مهم است؟ علم نانو مطالعه اصول اوليه مولکول ها وساختارهايي با ابعاد 1 تا 100 نانومتر است. اما چه چيزي در مقياس نانومتري وجود دارد که يک فناوري برپايه آن بنا شده است؟ مثالي را براي درک بيشتر مقياس نانوبا هم مرور مي کنيم. يک مکعب از جنس طلا رل با ابعاد 5 سانتي متر در نظر بگيريد. حال اين مکعب را از طول، عرض و ارتفاع نصف مي کنيم تا به 8 مکعب کوچک تر به دست آيد. خواص اين مکعب هاي کوچک، دقيقاً مشابه خواص مکعب اوليه است (به جز ارزش مادي)، يعني هر يک از 8 مکعب به دست آمده هنوز طلا است: زرد، درخشنده، نرم و سنگين است، همچنين هادي الکتريسيته بوده ونقطه ذوب آنها همان نقطه ذوب طلاست. حال تصور کنيد يکي از اين مکعب ها را نيز با همان روش قبل به 8 مکعب کوچک تر تقسيم کنيم. مکعب هاي به دست آمده نيز خواص مکعب اوليه را دارا هستند و باز هم تقسيم کردن را ادامه دهيم، به طوري که نتوانيم تکه هاي ريز شده طلا را با چشم غيرمسلح ببينيم، باز هم خواص فيزيکي و شيميايي تکه هاي طلا بدون تغيير باقي مي مانند. اما اگر ريزشدن ذرات طلا را ادامه دهيم تا به مقياس نانو برسيم، تقريباً همه چيز تغيير مي کند. همه ما طلاي زينتي را با رنگ زرد درخشنده اش مي شناسيم. اما آيا مي دانيد مي توان طلاي قرمز نيز توليد کرد؟ مثلاً نانو ذرات طلا بسته به اندازه ذرات خود مي تواند قرمز، آبي متمايل به سبز، نارنجي يا حتي ارغواني به نظر برسند! توليد نانوذرات طلاي قرمز هر هفته در بخش شيمي تجزيه دانشگاه کاشان در حال انجام است. با نگاه ميکروسکوپي مي توان مشاهده کرد که يک نانو نقطه طلا، قرمز به نظر مي رسد. اما اگر همين ذرات به هم متصل شوند، رنگشان به زرد تبديل مي شود. اگر تعداد کافي نانو نقاط طلا به هم نزديک شوند، به طوري که با هم ترکيب نشوند، مي توان رنگ قرمز طلا را با چشم غير مسلح ديد. با رسيدن به مقياس نانو نه تنها رنگ ذرات تغيير مي کند، بلکه خواصي مانند نقطه ذوب، خواص مغناطيسي و ... نيز دچار تحول مي شود. منبع:نشريه دانشمند
نانوذرات مغناطيسي نانوذرات مغناطيسي؛ معرفي و کاربرد 1. مقدمه واژه مغناطيس کلمهاي يوناني است که به بعضي سنگهاي طبيعي اکسيد آهن اطلاق ميشد. اين سنگها از اين خاصيت برخوردارند که بر يکديگر و بر ذرات آهن يا فولاد نيرو وارد ميآورند. يونانيان باستان، بيش از 2500 سال پيش با پديدهي آهنربايي آشنا بودند. تالس که اغلب از او به عنوان پدر علم يونان ياد ميشود، مادهي کاني مگنتيت (Fe3O4) که آهن را ميربايد، ميشناخت. اين کاني بيشتر در مگنزيا (ترکيه امروزي) يافت ميشده است و نام مگنتيت نيز از همين اسم گرفته شده است. چينيهاي باستان نيز با ويژگيهاي مغناطيسي برخي از سنگهاي آهنربا آشنايي داشتند و تکههايي از اين سنگها را به صورت قطبنماهاي ساده در دريانوردي به کار ميبردند. اولين تحقيق علمي در مورد مغناطيس توسط ويليام گيلبرت انجام شد که تصوير دقيقي از ميدان مغناطيسي زمين ايجاد کرد و بسياري از خرافات گذشته را از بين برد. سپس در سال 1825 اولين الکترومگنت به وسيله کشف بزرگ هانس کريستين اورستد ايجاد شد. اورستد دريافت که همواره در فضاي اطراف رساناهاي جريان يا ذرات باردار متحرک، ميدان مغناطيسي پديد ميآيد. خواص مغناطيسي مواد نتيجه ممانهاي مغناطيسي حاصل از الکترونهاست. هرالکترون در يک اتم داراي ممان مغناطيسي است، که از دو منبع ايجاد ميشود: يکي مربوط به حرکت اوربيتالي الکترون حول هسته است و ديگري ناشي از چرخش الکترون به دور محور خودش که حرکت اسپيني ناميده ميشود. بنابراين هر الکترون در يک اتم با ممانهاي اوربيتالي و اسپيني ميتواند به طور دائم مانند آهنرباي کوچکي عمل نمايد. 2. نانوذارت مغناطيسي ميدانيم که همهي مواد در مقياس نانو، خواصي متفاوت از خود بروز ميدهند. مواد مغناطيسي نيز از اين قاعده مستثني نيستند. در واقع؛ خاصيت مغناطيسي از جمله خواصي است که به مقدار بسيار زيادي به اندازهي ذره وابسته است. به عنوان مثال، در مواد فرومغناطيس وقتي اندازهي ذره از يک حوزهي مغناطيسي ِ منفرد کوچکتر گردد، پديدهي سوپرپارامغناطيس به وقوع ميپيوندد. نانوذرات سوپرپارامغناطيس ميتوانند کاربردهاي بالقوهي زيادي در فروسيالها، تصويرسازيهاي رنگي، سردسازي مغناطيسي، سمزدايي از سيالهاي بيولوژيکي، انتقال کنترل شدهي داروهاي ضد سرطان، MRI و جداسازيهاي سلولي مغناطيسي داشته باشند. هر مادهي مغناطيس در حالت توده، از حوزههاي مغناطيسي تشکيل شده است. هر حوزه حاوي هزاران اتم است که در آن جهت چرخش الکترونها يکسان و ممانهاي مغناطيسي به صورت موازي جهت يافتهاند. اما جهت چرخش الکترون ِ هر حوزه با حوزههاي ديگر متفاوت است. هرگاه، يک ميدان مغناطيسي بزرگ، تمام حوزههاي مغناطيسي را همجهت کند، تغيير فاز مغناطيسي رخ داده و مغناطش به حد اشباع ميرسد. هر چه تعداد حوزهها کمتر باشد، نيرو و ميدان کمتري نيز براي همجهت ساختن حوزهها مورد نياز است، و چنانچه مادهاي تنها داراي يک حوزه باشد، بنابراين نيازي به همجهت کردن آن با ديگر حوزهها نخواهد بود. از آنجا که قطر اين حوزهها در محدوده يک تا چند هزار نانومتر است، هر ذرهاي که تنها شامل يک حوزه باشد، ميتواند نانوذره به شمار رود. نانوذرات مغناطيسي داراي تعداد حوزههاي کمي هستند و مغناطش آنها سادهتر ميباشد. از طرف ديگر، بر اساس قانون دوم ترموديناميک "بي نظمي در يک سيستم منزوي، در يک فرآيند خودبخودي، افزايش مييابد." بنابراين، موادي که از حالت طبيعي خارج ميشوند، تمايل شديدي براي برگشت به وضعيت طبيعي خود را دارند و مغناطش مثالي در اين مورد است. اما چون نانوذرات مغناطيسي نياز به نيروي زيادي براي مغناطش ندارند، خيلي از حالت طبيعي فاصله نميگيرند و پس از مغناطيس شدن تمايل چنداني براي از دست دادن خاصيت مغناطيسي و بازگشت به وضعيت اوليه را ندارند. 3. مثالي از کاربردها 3-1. ذخيره اطلاعات نانوذرات مغناطيسي با اندازه 2 تا 20 نانومتر ميتوانند به عنوان ابزاري براي ذخيره اطلاعات در کارتهاي مغناطيسي استفاده شوند. 3-2. فروسيالها (محلولهاي مغناطيسي) فروسيالها، محلولهايي هستند که در آن نانوذرات مغناطيسي (مانند: آهن و کبالت)، به صورت کلوئيد در مايعي معلق ميباشند و به آن خاصيت مغناطيسي ميبخشند. هر چه اندازهي نانوذرات مغناطيسي کوچکتر باشد، محلول خاصيت مغناطيسي بيشتري از خود نشان ميدهد. از جمله کاربردهاي فروسيالها ميتوان به عنوان خنک کننده نام برد. همچنين از اين محلولها براي به حرکت درآوردن سيالها در چيپها به وسيلهي نيروي مغناطيسي استفاده ميشود. 3-3. نانوکامپوزيتهاي مغناطيسي با توزيع و اندازه دانهي مناسب نانوذرات مغناطيسي در بستر مواد پليمري ميتوان نانوکامپوزيتهايي با خاصيت مغناطيسي به دست آورد. ميزان و نوع نانوذرات و همچنين نحوهي توزيع آن ميتواند بر خواص نهايي نانوکامپوزيت و کاربرد آن اثر بگذارد. نانوکامپوزيتهاي مغناطيسي کاربردهاي بالقوهي زيادي را در سنسورها، پوششهاي الکترومغناطيس و مواد جاذب امواج دارا ميباشند. 3-4. دارو رساني هدفمند بحث دارو رساني هدفمند بيشتر در رابطه با درمان سرطان مطرح است. چرا که چالش عمده در درمان سرطان، هدفگيري و از بين بردن سلولهاي سرطاني است؛ به طوريکه تا حد امکان کمترين تأثير را بر سلولهاي سالم داشته باشد. يکي از اهداف نانوفناوري سوار کردن داروها بر روي مواد حامل (نانوذره) و سپس فرستادن و رها کردن آنها به درون سلول هدف ميباشد که به آن دارو رساني هدفمند اطلاق ميشود. با استفاده از نانوذرات مغناطيسي و ايجاد يک ميدان مغناطيسي ميتوان دارو را به صورت هوشمند به بافت مورد نظر رسانده و سبب بهبود بافت، بدون صدمه به بافتهاي ديگر شد. در يک مثال موردي، محققان اسيد فوليک را بر روي نانوذرات مغناطيسي قرار داده و سپس با داغ کردن نانوذرات سبب افزايش دماي سلول سرطاني و انهدام آن شدهاند. نظر به اينکه، سلولهاي سرطاني در سطح خود گيرندههاي اسيد فوليک دارند، ابتدا نانوذرات مغناطيسي حامل ِ اسيد فوليک را جذب ميکنند. سپس، محققان با استفاده از ميدان مغناطيسي متناوب اين نانوذرات را داغ ميکنند، که سبب افزايش دماي سلول تا بيش از 43 درجه سانتيگراد و مرگ سلول خواهد شد.
ساخت موتور مولکولي چرخنده با dna محققان يک ماشين ساده DNA طراحي کرده و ساختهاند که ميتواند به صورت پيوسته بچرخد. نانوماشينهاي DNA يکي از عرصههاي نويدبخش تحقيقات مربوط به نانوموتورها هستند. اينها آرايشهاي سنتزي از DNA ميباشند که توسط يک محرک خارجي بين دو شکل مولکولي مختلف سوئيچ ميکنند. ميتوان اين ماشينها را با استفاده از عوامل مختلفي همچون تغييرات pH و اضافه کردن قطعات مولکولي ديگري مثل پروتئينها و رشتههاي DNA کنترل کرد. محققان يک ماشين ساده DNA طراحي کرده و ساختهاند که ميتواند به صورت پيوسته بچرخد. سرعت و جهت چرخش اين ماشين قابل کنترل بوده و از اين عملکرد به عنوان مثال ميتوان در نقل و انتقالات مولکولي استفاده کرد. دانيل لوبريچ از محققان مرکز NanoCore در دانشگاه ملي سنگاپور ميگويد: «ماشين ما توسط يک ميدان الکتريکي خارجي به حرکت درميآيد. زماني که اين ميدان ميان چهار جهت نوسان ميکند، يک DNA چرخنده را که به يک محور DNA وصل شده است، به طور مکرر جهتدهي ميکند. محور DNA ميان يک سطح شيشهاي و يک دانه مغناطيسي ثابت نگهداشته ميشود. بخشهاي تکرشتهاي روي DNA محور همانند بلبرينگ عمل کرده و امکان چرخش آزاد در اطراف پيوندهاي مولکولي ميان بازهاي نوکئوتيدي را فراهم ميکند. بدين ترتيب امکان چرخش آزاد و پيوسته DNA چرخنده در اطراف محور، همزمان با تغيير جهتگيري آن با ميدان الکتريکي نوسانکننده ايجاد ميشود. اين گروه تحقيقاتي براي ساخت نانوموتور خود از يک اليگونوکلئوتيد DNA به طول 30 نانومتر که هر دو سر آن تغيير داده شده بود، به عنوان محور موتور استفاده كردند. انتهاي 5' با digoxigenin NHS ester يا DIG و انتهاي 3' با بيوتين تغيير داده شده بود. اين کار امکان اتصال رشته DNA به سطح شيشه تغيير يافته با آنتي DIG و دانه مغناطيسي تغيير يافته با steptavidin را فراهم ميکند. بنابر گفته لوبريچ اين کار موجب ميشود نيروي ميان دانههاي مغناطيسي و آهنرباها محور را کشيده و آن را محکم در جاي خود نگهدارد. به گزارش ستاد ويژه توسعه فناوري نانو، از آنجايي که اين چرخنده ميان دو بخش تکرشتهاي کوتاه روي DNA محور به آن متصل شده است، اين تغيير جهتگيري موجب چرخش آن حول DNA محور خواهد شد. سرعت و جهت چرخش اين DNA چرخنده را ميتوان با تنظيم فرکانس نوسان ميدان و جهت آن کنترل کرد. جزئيات اين کار به صورت آنلاين در مجله Small منتشر شده است
نانوذرات مغناطيسي نانوذرات مغناطيسي؛ معرفي و کاربرد 1. مقدمه واژه مغناطيس کلمهاي يوناني است که به بعضي سنگهاي طبيعي اکسيد آهن اطلاق ميشد. اين سنگها از اين خاصيت برخوردارند که بر يکديگر و بر ذرات آهن يا فولاد نيرو وارد ميآورند. يونانيان باستان، بيش از 2500 سال پيش با پديدهي آهنربايي آشنا بودند. تالس که اغلب از او به عنوان پدر علم يونان ياد ميشود، مادهي کاني مگنتيت (Fe3O4) که آهن را ميربايد، ميشناخت. اين کاني بيشتر در مگنزيا (ترکيه امروزي) يافت ميشده است و نام مگنتيت نيز از همين اسم گرفته شده است. چينيهاي باستان نيز با ويژگيهاي مغناطيسي برخي از سنگهاي آهنربا آشنايي داشتند و تکههايي از اين سنگها را به صورت قطبنماهاي ساده در دريانوردي به کار ميبردند. اولين تحقيق علمي در مورد مغناطيس توسط ويليام گيلبرت انجام شد که تصوير دقيقي از ميدان مغناطيسي زمين ايجاد کرد و بسياري از خرافات گذشته را از بين برد. سپس در سال 1825 اولين الکترومگنت به وسيله کشف بزرگ هانس کريستين اورستد ايجاد شد. اورستد دريافت که همواره در فضاي اطراف رساناهاي جريان يا ذرات باردار متحرک، ميدان مغناطيسي پديد ميآيد. خواص مغناطيسي مواد نتيجه ممانهاي مغناطيسي حاصل از الکترونهاست. هرالکترون در يک اتم داراي ممان مغناطيسي است، که از دو منبع ايجاد ميشود: يکي مربوط به حرکت اوربيتالي الکترون حول هسته است و ديگري ناشي از چرخش الکترون به دور محور خودش که حرکت اسپيني ناميده ميشود. بنابراين هر الکترون در يک اتم با ممانهاي اوربيتالي و اسپيني ميتواند به طور دائم مانند آهنرباي کوچکي عمل نمايد. 2. نانوذارت مغناطيسي ميدانيم که همهي مواد در مقياس نانو، خواصي متفاوت از خود بروز ميدهند. مواد مغناطيسي نيز از اين قاعده مستثني نيستند. در واقع؛ خاصيت مغناطيسي از جمله خواصي است که به مقدار بسيار زيادي به اندازهي ذره وابسته است. به عنوان مثال، در مواد فرومغناطيس وقتي اندازهي ذره از يک حوزهي مغناطيسي ِ منفرد کوچکتر گردد، پديدهي سوپرپارامغناطيس به وقوع ميپيوندد. نانوذرات سوپرپارامغناطيس ميتوانند کاربردهاي بالقوهي زيادي در فروسيالها، تصويرسازيهاي رنگي، سردسازي مغناطيسي، سمزدايي از سيالهاي بيولوژيکي، انتقال کنترل شدهي داروهاي ضد سرطان، MRI و جداسازيهاي سلولي مغناطيسي داشته باشند. هر مادهي مغناطيس در حالت توده، از حوزههاي مغناطيسي تشکيل شده است. هر حوزه حاوي هزاران اتم است که در آن جهت چرخش الکترونها يکسان و ممانهاي مغناطيسي به صورت موازي جهت يافتهاند. اما جهت چرخش الکترون ِ هر حوزه با حوزههاي ديگر متفاوت است. هرگاه، يک ميدان مغناطيسي بزرگ، تمام حوزههاي مغناطيسي را همجهت کند، تغيير فاز مغناطيسي رخ داده و مغناطش به حد اشباع ميرسد. هر چه تعداد حوزهها کمتر باشد، نيرو و ميدان کمتري نيز براي همجهت ساختن حوزهها مورد نياز است، و چنانچه مادهاي تنها داراي يک حوزه باشد، بنابراين نيازي به همجهت کردن آن با ديگر حوزهها نخواهد بود. از آنجا که قطر اين حوزهها در محدوده يک تا چند هزار نانومتر است، هر ذرهاي که تنها شامل يک حوزه باشد، ميتواند نانوذره به شمار رود. نانوذرات مغناطيسي داراي تعداد حوزههاي کمي هستند و مغناطش آنها سادهتر ميباشد. از طرف ديگر، بر اساس قانون دوم ترموديناميک "بي نظمي در يک سيستم منزوي، در يک فرآيند خودبخودي، افزايش مييابد." بنابراين، موادي که از حالت طبيعي خارج ميشوند، تمايل شديدي براي برگشت به وضعيت طبيعي خود را دارند و مغناطش مثالي در اين مورد است. اما چون نانوذرات مغناطيسي نياز به نيروي زيادي براي مغناطش ندارند، خيلي از حالت طبيعي فاصله نميگيرند و پس از مغناطيس شدن تمايل چنداني براي از دست دادن خاصيت مغناطيسي و بازگشت به وضعيت اوليه را ندارند. 3. مثالي از کاربردها 3-1. ذخيره اطلاعات نانوذرات مغناطيسي با اندازه 2 تا 20 نانومتر ميتوانند به عنوان ابزاري براي ذخيره اطلاعات در کارتهاي مغناطيسي استفاده شوند. 3-2. فروسيالها (محلولهاي مغناطيسي) فروسيالها، محلولهايي هستند که در آن نانوذرات مغناطيسي (مانند: آهن و کبالت)، به صورت کلوئيد در مايعي معلق ميباشند و به آن خاصيت مغناطيسي ميبخشند. هر چه اندازهي نانوذرات مغناطيسي کوچکتر باشد، محلول خاصيت مغناطيسي بيشتري از خود نشان ميدهد. از جمله کاربردهاي فروسيالها ميتوان به عنوان خنک کننده نام برد. همچنين از اين محلولها براي به حرکت درآوردن سيالها در چيپها به وسيلهي نيروي مغناطيسي استفاده ميشود. 3-3. نانوکامپوزيتهاي مغناطيسي با توزيع و اندازه دانهي مناسب نانوذرات مغناطيسي در بستر مواد پليمري ميتوان نانوکامپوزيتهايي با خاصيت مغناطيسي به دست آورد. ميزان و نوع نانوذرات و همچنين نحوهي توزيع آن ميتواند بر خواص نهايي نانوکامپوزيت و کاربرد آن اثر بگذارد. نانوکامپوزيتهاي مغناطيسي کاربردهاي بالقوهي زيادي را در سنسورها، پوششهاي الکترومغناطيس و مواد جاذب امواج دارا ميباشند. 3-4. دارو رساني هدفمند بحث دارو رساني هدفمند بيشتر در رابطه با درمان سرطان مطرح است. چرا که چالش عمده در درمان سرطان، هدفگيري و از بين بردن سلولهاي سرطاني است؛ به طوريکه تا حد امکان کمترين تأثير را بر سلولهاي سالم داشته باشد. يکي از اهداف نانوفناوري سوار کردن داروها بر روي مواد حامل (نانوذره) و سپس فرستادن و رها کردن آنها به درون سلول هدف ميباشد که به آن دارو رساني هدفمند اطلاق ميشود. با استفاده از نانوذرات مغناطيسي و ايجاد يک ميدان مغناطيسي ميتوان دارو را به صورت هوشمند به بافت مورد نظر رسانده و سبب بهبود بافت، بدون صدمه به بافتهاي ديگر شد. در يک مثال موردي، محققان اسيد فوليک را بر روي نانوذرات مغناطيسي قرار داده و سپس با داغ کردن نانوذرات سبب افزايش دماي سلول سرطاني و انهدام آن شدهاند. نظر به اينکه، سلولهاي سرطاني در سطح خود گيرندههاي اسيد فوليک دارند، ابتدا نانوذرات مغناطيسي حامل ِ اسيد فوليک را جذب ميکنند. سپس، محققان با استفاده از ميدان مغناطيسي متناوب اين نانوذرات را داغ ميکنند، که سبب افزايش دماي سلول تا بيش از 43 درجه سانتيگراد و مرگ سلول خواهد شد.
ساخت موتور مولکولي چرخنده با dna ساخت موتور مولکولي چرخنده با dna محققان يک ماشين ساده DNA طراحي کرده و ساختهاند که ميتواند به صورت پيوسته بچرخد. نانوماشينهاي DNA يکي از عرصههاي نويدبخش تحقيقات مربوط به نانوموتورها هستند. اينها آرايشهاي سنتزي از DNA ميباشند که توسط يک محرک خارجي بين دو شکل مولکولي مختلف سوئيچ ميکنند. ميتوان اين ماشينها را با استفاده از عوامل مختلفي همچون تغييرات pH و اضافه کردن قطعات مولکولي ديگري مثل پروتئينها و رشتههاي DNA کنترل کرد. محققان يک ماشين ساده DNA طراحي کرده و ساختهاند که ميتواند به صورت پيوسته بچرخد. سرعت و جهت چرخش اين ماشين قابل کنترل بوده و از اين عملکرد به عنوان مثال ميتوان در نقل و انتقالات مولکولي استفاده کرد. دانيل لوبريچ از محققان مرکز NanoCore در دانشگاه ملي سنگاپور ميگويد: «ماشين ما توسط يک ميدان الکتريکي خارجي به حرکت درميآيد. زماني که اين ميدان ميان چهار جهت نوسان ميکند، يک DNA چرخنده را که به يک محور DNA وصل شده است، به طور مکرر جهتدهي ميکند. محور DNA ميان يک سطح شيشهاي و يک دانه مغناطيسي ثابت نگهداشته ميشود. بخشهاي تکرشتهاي روي DNA محور همانند بلبرينگ عمل کرده و امکان چرخش آزاد در اطراف پيوندهاي مولکولي ميان بازهاي نوکئوتيدي را فراهم ميکند. بدين ترتيب امکان چرخش آزاد و پيوسته DNA چرخنده در اطراف محور، همزمان با تغيير جهتگيري آن با ميدان الکتريکي نوسانکننده ايجاد ميشود. اين گروه تحقيقاتي براي ساخت نانوموتور خود از يک اليگونوکلئوتيد DNA به طول 30 نانومتر که هر دو سر آن تغيير داده شده بود، به عنوان محور موتور استفاده كردند. انتهاي 5' با digoxigenin NHS ester يا DIG و انتهاي 3' با بيوتين تغيير داده شده بود. اين کار امکان اتصال رشته DNA به سطح شيشه تغيير يافته با آنتي DIG و دانه مغناطيسي تغيير يافته با steptavidin را فراهم ميکند. بنابر گفته لوبريچ اين کار موجب ميشود نيروي ميان دانههاي مغناطيسي و آهنرباها محور را کشيده و آن را محکم در جاي خود نگهدارد. به گزارش ستاد ويژه توسعه فناوري نانو، از آنجايي که اين چرخنده ميان دو بخش تکرشتهاي کوتاه روي DNA محور به آن متصل شده است، اين تغيير جهتگيري موجب چرخش آن حول DNA محور خواهد شد. سرعت و جهت چرخش اين DNA چرخنده را ميتوان با تنظيم فرکانس نوسان ميدان و جهت آن کنترل کرد. جزئيات اين کار به صورت آنلاين در مجله Small منتشر شده است.
روش ساخت نانو روشهای ساخت پايين به بالا دو روش جهت رسيدن به مقياس نانو وجود دارد؛ كاهش ابعاد از بالا به پايين، يا افزايش ابعاد از پايين به بالا. اين دو روش، دراساس متفاوت ميباشند، هم در روش ايجاد ساختارها و هم در اساس علمی كه آنها را محتمل ميسازد. روش بالا به پايين (Top-down) مستلزم كاهش اندازه تا كوچكترين حد يعنی تا مقياس نانو ميباشد. اين روش در اساس مستلزم تراشيدن چيزهای بزرگتر و رسيدن به ساختارهای نانو ميباشد. نانوتكنولوژی "بالا به پايين" اولين موردی ميباشد كه از دامنه نانوالكترونيك و نانومهندسی فراتر رفتهاست. بهعنوان يكی از كاربردهای اوليه اين روش ميتوان به توسعه نانوفوتونيك، ارتباط الكترونيك و فوتونيك در مقياس نانو اشاره كرد . اين تكنولوژی، روشهايی مانند ليتوگرافی پرتوالكترونی، برگرفته از ميكروالكترونيك، برای ايجاد سيستمهای ميكروالكترومكانيكی (MEMS) ارائه ميدهد. البته محدوديتهای فيزيكی برای اين روش (Top-down) وجود دارد . . . مثلاً هرگاه ابعاد مواد به مقياس اتمی ميرسد و فرآيندهای توليد، ناچار از دستكاری مولكولها منفرد مواد ميشوند، نيروها و عكسالعملهای بين مولكولهای منفرد آشكار ميشود و مباحث جديدی بايد درنظر گرفتهشود. روشهای "پايين به بالا" مستلزم دستكاری اتمها و مولكولهای منفرد ميباشد. نانوتكنولوژی "پايين به بالا" معمولاً خودسامانی كنترل شده اتمها و مولكولها و تبديل آنها به نانو ساختارها ميباشد. در اين روش، جايی كه اتمها و مولكولها برای ايجاد ساختارهايی مانند كريستالها يا سلولهای زنده تركيب ميشوند به فرآيندهای زيستی و شيميايی شباهت بسيار نزديكی دارند. اساساً ايجاد يك سلول زنده يا يك دانه برف نمونههای از نانوتكنولوژی طبيعی ميباشد. روش "بالا به پايين" كه از ميكروالكترونيك اقتباس شده است و برای نانوتكنولوژی ارتقاء داده شده است. روشهای "بالا به پايين" در ميكروسازی خيلی كاملتر از روشهای "بالا به پايين" در نانوسازی ميباشد. منبع :مشخص نیست اما برداشت از نخبگان
روكشهای ضدخوردگی خود ترميمشونده Helmut Mohwald, Dmitry Shchukin از مؤسسه ماكسپلانك و همكارانشان در دپارتمان مهندسي سراميك و شيشه دانشگاه Aveiro پرتقال فرآيندي تشريح كردهاند كه طي آن يك فلز با لايه نازك ژل مانندي روكشدهي شده است. به دليل وجود نوعي افزودني در ژل به كار رفته، هنگام آسيب ديدن، بلافاصله ترميم آغاز شده و شكاف يا حفره ايجاد شده روي فلز خود به خود ترميم ميگردد. از روشهاي متداول و عمومي براي محافظت از خوردگي ميتوان به گالوانيزاسيون و پوششهاي پليمري اشاره كرد، البته راه سادهتري نيز وجود دارد و آن افزودن يك لايه ضد آب روي آهن، فولاد، آلياژهاي آلومينيوم و ديگر فلزات مستعد خوردگي است. پوششهاي كرم يكي از روشهاي معمول و مؤثر در اين راستا است اما خطرات كرم براي سلامتي در طي فرآيند ساخت، از جمله مشكلات پيشرو در اين زمينه است به طوري كه استفاده از پوششهاي كرم از سال 2007 به بعد در اروپا ممنوع خواهد شد. بنابراين هر يك از اين روشها معايب خاص خود را دارند و در نهايت اگر پوشش آسيب ببيند و آب، هوا يا عامل خورنده به فلز پايه برسد اين آسيبرساني تشديد ميگردد. بنابر اين بهترين راهحل ساخت يك پوشش خود ترميم شونده است كه خود را در حين آسيب ديدگي يا ايجاد ترك ترميم كند. تهيه يك فلز خود ترميمكننده ايدهاي دست نيافتني نيست. اين روش شامل پركردن لايه به لايه روكشهاي خود ترميم شونده با حاملهاي مولكولي حاوي مواد ضدخوردگي است كه به شكل نانومخازن مرتب شدهاند. اين لايهها به تعداد زياد روي هم قرار دارند. نانوذرات دياكسيدسيليكون يا سيليكا توسط لايهاي از پليمرهاي باردار مانند پلياتيلن آمين و سولفانات پلياستايرن پوشش داده ميشوند، سپس لايهاي از ماده ضدخوردگي مانند بنزوتريآزول، روي اين نانوذرات قرار داده ميشود، در نهايت اين نانوذرات به همراه ژل سيليكا كه داراي اكسيدزيركونيوم است روي فلز رسوب داده شده و پوشش محافظي روي آن ايجاد ميگردد. محققان اين روش را روي فلز آلومينيوم با موفقيت آزمايش كردند. ذرات سيليكا يك بستر براي مواد ضدخوردگي و پليمرهاي باردار فراهم ميكند و اكسيدزيركونيوم باعث افزايش قدرت چسبندگي لايه محافظ روي فلز پايه ميگردد. اين پوشش همانند ديگر پوششها عمل ميكند و تنها تفاوت آن هوشمند بودن در برابر آسيبديدگي است. زماني كه پوشش دچار آسيبديدگي شود، مواد ضدخوردگي از پليمرها در قسمت آسيبديده آزاد شده و به درون لايه ژلي نفوذ ميكنند و به سرعت باعث ترميم شكاف ايجاد شده ميشوند، تمام اين مراحل قبل از رسيدن هر گونه عامل خورنده به فلز پايه صورت ميگيرد. به عقيده Shchukin، اين پوشش قادر است آلومينيم را در محلول نمكي براي مدت زمان طولاني محافظت كند. زماني كه پوشش آسيب ميبيند، نقطه آسيب ديده كه طولي كمتر از چند ده ميكرومتر دارد در كمتر از 24 ساعت ترميم ميشود. وي در ادامه افزود اين پوشش هم اكنون براي محافظت از آلياژهاي آلومينيوم در صنعت هوافضا مورد استفاده قرار ميگيرد. در حال حاضر اين مواد ميتوانند شكافهايي تا طول 100 ميكرومتر را در محلول آبي يا نمكي ترميم كنند. قدم بعدي توسعه اين پوششها جهت محافظت از ديگر فلزات مانند فولاد است. در پايان اين گروه تصميم دارند تا با سرعت بخشيدن به فرآيند آزاد شدن نانو مخازن حاوي مواد ضدخوردگي و ترميم كننده سرعت ترميم را افزايش دهند.