نانو

فناوري نانو چيست؟

به طور كلي اين فناوري عبارت از كاربرد ذرات در ابعاد نانو است. يك نانومتر، يك ميلياردم متر است. از دو مسير به اين ابعاد مي توان دسترسي پيدا كرد. يك مسير دسترسي از بالا به پايين و ديگري طراحي و ساخت از پايين به بالا است. در نوع اول، ساختارهاي نانو با كمك ابزار و تجهيزات دقيق از خرد كردن ذرات بزرگ تر حاصل مي شوند. در طراحي و ساخت از پايين به بالا كه عموما آن را فناوري مولكولي نيز مي نامند، توليد ساختارها، اتم به اتم و يا مولكول به مولكول توليد و صورت مي گيرند. به عقيده مدير اجرايي موسسه نانوتكنولوژي انگلستان، فناوري نانو ادامه و گسترش روند مينياتوريزه كردن است و به اين طريق توليد مواد، تجهيزات و سامانه هايي با ابعاد نانو انجام مي شود. درحقيقت فناوري نانو به ما امكان ساخت طراحي موادي را مي دهند كه كاملا داراي خواص و اختصاصات جديد هستند.

به بيان ديگر اين نوع فناوري چيزهايي را كه در اختيار داريم با خصوصيات جديد در اختيار قرار مي دهد و يا آنها را از مسيرهاي نويني مي سازد. اما گويا صنايع داروسازي از مدت ها قبل به ساخت ذرات ريز مشغول بوده اند. به نظر پروفسور Buckton، طي سخنراني كه در كنفرانس علوم دارويي انگلستان (BPC) انجام داد ادعا نمود كه فناوري نانو در داروسازي اصطلاح تازه به كار گرفته شده اي براي فناوري توليد ذرات در اندازه ميكروني (particles Micro) است كه از سال ها قبل تهيه و ساخته مي شده اند. پس چه چيزي در اين بين جديد خواهد بود؟ به عقيده مدير اجرايي موسسه فناوري نانو انگليس، دستيابي و ساخت دستگاه هاي آناليز پيشرفته و ابداع روش هاي آناليز نوين سبب مي شود تا ما بتوانيم رفتار مواد را به دقت مورد شناسايي قرار دهيم و از اين رهگذر بتوانيم آنها را با ظرافت خاصي دستكاري كنيم.

تاريخچه فناوري نانو :

در طول تاريخ بشر از زمان يونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر اين باور بودند كه مواد را مي‌توان آنقدر به اجزاء كوچك تقسيم كرد تا به ذراتي رسيد كه خردناشدني هستند و اين ذرات بنيان مواد را تشكيل مي‌دهند، شايد بتوان دموكريتوس فيلسوف يوناني را پدر فناوري و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از ميلاد مسيح او اولين كسي بود كه واژة اتم را كه به معني تقسيم‌نشدني در زبان يوناني است براي توصيف ذرات سازنده مواد به كار برد. با تحقيقات و آزمايش‌هاي بسيار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زيادي ايزوتوپ كشف كرده‌اند. آنها همچنين پي برده اند كه اتم‌ها از ذرات كوچكتري مانند كوارك‌ها و لپتون‌ها تشكيل شده‌اند. با اين حال اين كشف‌ها در تاريخ پيدايش اين فناوري پيچيده زياد مهم نيست. نقطه شروع و توسعه اوليه فناوري نانو به طور دقيق مشخص نيست. شايد بتوان گفت كه اولين نانوتكنولوژيست‌ها شيشه‌گران قرون وسطايي بوده‌اند كه از قالب‌هاي قديمي(Medieal forges) براي شكل‌دادن شيشه‌هايشان استفاده مي‌كرده‌اند. البته اين شيشه‌گران نمي‌دانستند كه چرا با اضافه‌كردن طلا به شيشه رنگ آن تغيير مي‌كند. در آن زمان براي ساخت شيشه‌هاي كليساهاي قرون وسطايي از ذرات نانومتري طلا استفاده مي‌‌شده است و با اين كار شيشه‌هاي رنگي بسيار جذابي بدست مي‌آمده است. اين قبيل شيشه‌ها هم‌اكنون در بين شيشه‌هاي بسيار قديمي يافت مي‌شوند. رنگ به‌وجودآمده در اين شيشه‌ها برپايه اين حقيقت استوار است كه مواد با ابعاد نانو داراي همان خواص مواد با ابعاد ميكرو نمي‌باشند. در واقع يافتن مثالهايي براي استفاده از نانو ذرات فلزي چندان سخت نيست.رنگدانه‌هاي تزييني جام مشهور ليکرگوس در روم باستان ( قرن چهارم بعد از ميلاد) نمونه‌اي از آنهاست. اين جام هنوز در موزه بريتانيا قرار دارد و بسته به جهت نور تابيده به آن رنگهاي متفاوتي دارد. نور انعکاس يافته از آن سبز است ولي اگر نوري از درون آن بتابد، به رنگ قرمز ديده مي‌شود. آناليز اين شيشه حکايت از وجود مقادير بسيار اندکي از بلورهاي فلزي ريز700 (nm) دارد ، که حاوي نقره و طلا با نسبت مولي تقريبا 14 به 1 است حضور اين نانوبلورها باعث رنگ ويژه جام ليکرگوس گشته است. در سال1959 ريچارد فاينمن مقاله‌اي را دربارة قابليت‌هاي فناوري نانو در آينده منتشر ساخت. باوجود موقعيت‌هايي كه توسط بسياري تا آن زمان كسب‌شده بود، ريچارد. پي. فاينمن را به عنوان پايه گذار اين علم مي‌شناسند. فاينمن كه بعدها جايزه نوبل را در فيزيك دريافت كرد درآن سال در يک مهماني شام كه توسط انجمن فيزيک آمريكا برگزار شده بود، سخنراني كرد و ايده فناوري نانو را براي عموم مردم آشكار ساخت. عنوان سخنراني وي «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» بود. سخنراني او شامل اين مطلب بود كه مي‌توان تمام دايره‌المعارف بريتانيكا را بر روي يك سنجاق نگارش كرد.يعني ابعاد آن به اندازه25000/1ابعاد واقعيش كوچك مي شود. او همچنين از دوتايي‌كردن اتم‌ها براي كاهش ابعاد كامپيوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد كامپيوترها بسيار بزرگتر از ابعاد كنوني بودند اما او احتمال مي‌داد كه ابعاد آنها را بتوان حتي از ابعاد كامپيوترهاي كنوني نيز كوچكتر كرد. او همچنين در آن سخنراني توسعه بيشتر فناوري نانو را پيش‌بيني نمود. برخي از رويدادهاي مهم تاريخي در شکل گيري فناوري و علوم نانو تاريخ رويدادهاي مهم در زمينه فناوري نانو 1857 مايکل فارادي محلول کلوئيدي طلا را کشف کرد 1905 تشريح رفتار محلول‌هاي کلوئيدي توسط آلبرت انيشتين 1932 ايجاد لايه‌هاي اتمي به ضخامت يک مولکول توسط لنگموير (Langmuir) 1959 فاينمن ايده " فضاي زياد در سطوح پايين " را براي کار با مواد در مقياس نانو مطرح کرد 1974 براي اولين بار واژه فناوري نانو توسط نوريو تانيگوچي بر زبانها جاري شد 1981 IBM دستگاهي اختراع کرد که به کمک آن مي‌توان اتم‌ها را تک تک جا‌به‌جا کرد. 1985 کشف ساختار جديدي از کربن C60 1990 شرکت IBM توانايي کنترل نحوه قرارگيري اتم‌ها را نمايش گذاشت 1991 کشف نانو لوله‌هاي کربني 1993 توليد اولين نقاط کوانتومي با کيفيت بالا 1997 ساخت اولين نانو ترانزيستور 2000 ساخت اولين موتور DNA 2001 ساخت يک مدل آزمايشگاهي سلول سوخت با استفاده از نانو لوله 2002 شلوارهاي ضدلك به بازار آمد 2003 توليد نمونه‌هاي آزمايشگاهي  نانوسلول‌هاي خورشيدي 2004 تحقيق و توسعه براي پيشرفت در عرصه فناوري‌نانو ادامه دارد

کاربردهای فناوری نانو در کشاورزی

علم نانو ميتواند تمام عرصه علوم را مانند زلزله تحت تاثير قرار دهد و علم كشاورزي نيز مستثني نمي‌باشد. توليد مواد جديد و كارآ، پيشرفت در زمينه توليد محصولات جديد، و طراحي روش‌هاي جديد براي توليد غذاي سالم و حفاظت زيستي اين تغييرات در مجموع بسيار گسترده و عظيم خواهد بود. پيشرفت‌هاي اخير در زمينه علم مواد و علم شيمي امكان توليد ذرات نانويي را امكان پذير كرده كه ميتواند بطور گسترده در علوم كشاورزي كاربرد دارند. تاكنون استفاده از علم نانو در زمينه كشاورزي جنبه نظري داشته است. اما اخيرا كاربرد آن بطور عملي نيز امكان پذير شده و اين امر ادامه خواهد داشت و اثرات شگرف آن هر روز بيش از پيش نمايان خواهد شد.

رابطه ميان فناوري نانو وعلوم کشاورزي در زمينه هاي زير قابل بررسي است :
1- نياز به امنيت در کشاورزي و سيستم هاي تغذيه اي
2- ايجاد سيستم هاي هوشمند براي پيشگيري و درمان بيماريهاي گياهي
3- خلق وسايل جديد براي پيشرفت در تحقيقات بيولوژي و سلولي
4- بازيافت ضايعات حاصل از محصولات کشاورزي

از بين تدابير موجود در مديريت آفات کشاورزي استفاده از آفت کش ها و سموم سريعترين و ارزان ترين روش براي واکنش به يک وضيت اضطراري است .

روش هاي کنترل زيستي در حال حاضر بسيار هزينه بر هستند . در اين روش ها کنترل آفت از طريق يکي از دشمنان طبيعي آن آفت صورت مي گيرد . امروزه مصرف بي رويه آفت کش ها مشکلات زيادي را ايجاد کرده اند اين مشکلات شامل اثرات سوء بر سلامت انسان ( ايجاد مسموميت هاي حاد يا بيماري هاي مزمن ) ، تاثير اين مواد بر حشرات گرده افشان و حيوانات اهلي مزارع و همچنين ورود اين مواد به آب و خاک و تاثير مستقيم وغير مستقيم آن در اين نظام هاي زيستي مي باشد .

مصرف بي رويه آفت کش ها محصولات کشاورزي را نيز به منبع ذخيره سم تبديل مي کند

مهمترين سوال در زمينه استفاده از آفت کش ها اين است که :چقدر از اين سموم استفاده کنيم ؟

استفاده از داروهاي (سموم) هوشمند در ابعاد نانو مي تواند راه حل مناسبي باشد . اين داروها که قابليت حرکت در گياه را دارند در بسته هايي که حاوي نشاني خاصي هستند قرار ميگيرند .برچسب نشاني يک کد مولکولي است که بر روي بسته نصب شده و به بسته اجازه ميدهد که به بخشي از گياه که مورد حمله عامل بيماري يا آفت قرار گرفته تحويل داده شود . اين ناقلين در ابعاد نانو همچنين داراي خود تنظيمي نيز مي باشند به اين معني که دارو فقط به ميزان لازم به بافت گياهي تحويل داده مي شود .
دقت در رديابي بافت هدف و ميزان اندک اما موثر دارو باعث مي شود استفاده از سموم در کشاورزي به حداقل برسد .
همه ما ميدانيم که پيشگيري بر درمان مقدم است . بيماري هاي گياهي نيز از روي علائمي مانند تغيير رنگ يا تغيير شکل اندام ها شناسايي مي شوند ولي مسئله اينجاست که اين علائم مدتها پس از ورود عامل بيماري به بافت گياه بروز پيدا مي کنند به همين خاطر با سريعترين اقدام ها براي جلوگيري از شيوع بيماري باز هم مقداري از محصول از بين مي رود . در نتيجه نياز به ابزاري که به کمک آن بتوان در همان مراحل ابتدايي ورود عامل بيماري، آن را کنترل و مهار کرد بسيار ضروري به نظر ميرسد.
نانو حسگرهاي زيستي ابزارهايي هستند که که از تلفيق ابزارهاي شيميايي ، فيزيکي و زيستي بدست آمده اند.

تصوير ورود يک نانوحسگر زيستي به درون يک سلول

اين حسگرها شامل ترکيبات زيستي مانند يک سلول ، آنزيم و يا آنتي بادي متصل به يک مبدل انرژي هستند و قادرند که تغييرات ايجاد شده در مولکول هاي اطراف خود را گزارش دهند . اين گزارش ها توسط سيگنالهايي که مبدل انرژي به تناسب با مقدار آلودگي توليد ميکند دريافت مي شوند. بنابراين اگر تجمع زيادي از عامل بيماري در اطراف اين حسگرها وجود داشته باشد سيگنال هاي قوي فرستاده مي شوند . ارزيابي حضور آلاينده ها در محيط توسط حسگرها در چند دقيقه ميسر است اما با استفاده از روش هاي رايج حداقل 48 ساعت زمان براي تشخيص نياز است .
استفاده از نانوحسگرهاي زيستي در بسته هاي غذايي نيز کاربرد که در صورت شروع فساد مواد غذايي مي توانند هشدار دهنده باشند .

از ديگر کاربردهاي فناوري نانو در صنايع غذايي ايجاد پلاستيک هاي جديد در صنعت بسته بندي مواد غذايي است . در توليد اين پلاستيک ها از فناوري نانو ذرات استفاده شده است . اکسيژن مسئله سازترين عامل در بسته بندي مواد غذايي است زيرا اين عنصر باعث فساد چربي مواد غذايي و همچنين تغيير رنگ آنها ميشود . در اين پلاستيک جديد نانوذرات به صورت زيگزاگ قرار گرفته اند و مانند سدي مانع از نفوذ اکسيژن مي شوند .
به بيان ديگر مسيري که گاز بايد براي ورود به بسته طي کند طولاني مي شود . به همين خاطر مواد غذايي در اين بسته ها تازگي خود را بيشتر حفظ مي کنند .

با طولاني کردن مسير حرکت مولکولهاي اکسيژن، مواد غذايي ديرتر فاسد مي شوند.

فناوري نانو با استفاده از فرايندهاي طبيعي زيستي ، شيميايي و فيزيکي در بازيافت مواد باقيمانده از محصولات کشاورزي و تبديل آنها به انرژي و يا مواد شيميايي صنعتي نيز نقش دارد . به طور مثال از زمان برداشت پنبه تا توليد پارچه بيش از 25 % الياف به ضايعات تبديل مي شوند . در دانشگاه کرنل در آمريکا روشي تحت عنوان «ريسندگي الکتريکي» ابداع شده که با استفاده از اين روش از ضايعات پنبه محصولاتي مانند کلافهاي پنبه و نخ البته با کيفيت پايين تر توليد ميکنند . دانشمندان علوم پليمر از اين روش براي توليد نانو فيبرها از سلولز که 90% الياف پنبه را تشکيل مي دهد استفاده کرده اند و اليافي کمتر از 100 نانومتر توليد کرده اند که 1000 بار کوچکتر از الياف فعلي است .

يکي از کاربردهايي که براي اين الياف ريز سلولزي بيان شده جذب آفت کش ها و کودهاي شيميايي از محيط براي جلوگيري از ورود آنها به اکوسيستم و رها کردن مجدد اين مواد در محيط در مواقع مورد نياز است .

از ديگر محصولات فناوري نانو ، نانو کاتاليزورها هستند که قابليت تبديل روغن هاي گياهي به سوخت را جهت ايجاد منابع جديد انرژي دارند .

پيشرفت در زمينه علوم گياهي ، کشاورزي و صنايع غذايي رابطه مستقيمي با پيشرفت در تحقيقات زيست شناسي سلولي و مولکولي دارد . توليد ابزارهاي جديد تحول شگرفي در تحقيقات سلولي و مولکولي ايجاد کرده است . امروزه ميکروسکوپ هايي که قابليت ايجاد مشاهده در مقياس نانو را دارند در توسعه علوم زيستي نقش مهمي را ايفا مي کنند.

منابع:

http://www.nano.ir/

http://www.nanoclub.ir/

و با تشکر از استاد ارجمندم

دکتر کیوان قدرتی

http://www.organic.page.tl/

-