نانوتکنولوژی

حوزه نانوتکنولوژی به مطالعه و ریز دستکاری خواص نانوساختار در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر مربوط می شود.

علم نانو کاربردهای زیادی از جمله فناوری، تولید و پزشکی دارد. این فناوری در آستانه بسیاری از پیشرفت های نوآورانه است که بسیاری از دانشمندان را هیجان زده و نگران می کند. محققان در زمینه‌های فناوری نانو خواص آناتومیکی مواد مختلف تا اندازه 1 نانومتر را مشاهده و دستکاری می‌کنند. نانوتکنولوژی به عنوان یک رشته به رشد خود ادامه می‌دهد و گروهی از محققان چند رشته‌ای از جمله زیست‌شناسان، شیمی‌دانان، فیزیکدانان و مهندسان را گرد هم می‌آورد.

برای مشاهده اشیاء در مقیاس نانو به ابزارهای میکروسکوپی قدرتمندی نیاز است.

مفاهیم اساسی

میکروسکوپ های الکترونی مانند میکروسکوپ های الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ های الکترونی روبشی (SEM) داده های توپوگرافی، مورفولوژیکی و ترکیبی را ارائه می دهند. میکروسکوپ های نیروی اتمی مواد را با یک پروب خوب اسکن می کنند تا تصاویری با جزئیات ایجاد کنند.

علاوه بر این، نانومیکروسکوپ‌ها به محققان اجازه می‌دهند تا مولکول‌های منفرد را مشاهده کنند و اتم‌ها و مولکول‌ها را ریز دستکاری کنند و آنها را با یک پروب کوچک مرتب کنند.

مطالعه یک ماده در مقیاس نانو مستلزم مشاهده و آزمایش است. خواص بسیاری از مواد در سطح نانو رفتار متفاوتی دارند. درک اینکه چرا و چگونه این اتفاق می افتد به محققان کمک می کند تا به مزایا و خطرات بالقوه پی ببرند.

نانوساختارها

دانشمندان نانوساختارهای خاصی را کشف کرده اند که امروزه یا در آینده نزدیک کاربرد عملی دارند. این ساختارها شامل نقاط کوانتومی (qdots)، فولرن‌های کروی (باکی‌بال)، فولرن‌های استوانه‌ای به نام نانولوله‌های کربنی و نانوسیم‌ها هستند.

بسیاری از دانشمندان بر این باورند که نانولوله ها و نانوسیم ها بیشترین نوید را برای پیشرفت های ممکن دارند. اعتقاد بر این است که Qdots در آینده در آزمایش‌های تشخیصی از جمله مکان‌یابی سلول‌های سرطانی کاربرد دارد.

این و اکسید آهن، طلا و نانوذرات مغناطیسی مرتبط، توانایی اتصال خود را به پروتئین ها یا مولکول های دیگر دارند. تعدادی از شرکت ها در حال حاضر از این ذرات برای پیشبرد تکنیک های تشخیصی و تصویربرداری استفاده می کنند.

توپ های باکی  (Buckyballs) از مولکول های کربن تشکیل شده اند و شبیه توپ فوتبال هستند. آنها کاربردهای تکنولوژیکی در الکترونیک و ابزارهای پزشکی تشخیصی دارند. دانشمندان ماهر قادر به بازآفرینی نانولوله های کربنی از طریق ریز دستکاری اتم ها هستند. نانولوله‌ها با چیدمان مناسب، قوی‌تر و بادوام‌تر از فولاد هستند. وزن آنها به‌طور قابل‌توجهی سبک‌تر است.

تعدادی از محصولات متداول که از پیشرفت‌های فناوری نانوتکنولوژی استفاده می‌کنند عبارتند از کرم‌های ضد آفتاب، شیشه‌های خود تمیز شونده، پوشش‌های ضد خش که روی محصولاتی مانند لنزهای عینک، باندهای ضد میکروبی، پاک‌کننده‌ها و ضدعفونی‌کننده‌های استخرها، پارچه‌های مقاوم در برابر چروک، لوازم آرایشی و نمایشگرهای LCD استفاده می‌شوند.

نانولوله ها و نانو سیم ها

مهندسان نانو امیدوارند از نانولوله ها به عنوان پایه مصالح ساختمانی خودروها و هواپیماها استفاده کنند. مواد قوی تر ایمنی را افزایش می دهد، در حالی که وزن سبک تر باعث افزایش راندمان سوخت می شود. محققان همچنان به استفاده از دستکاری مولکولی برای تغییر آرایش اتم ها در نانولوله ها ادامه می دهند تا بتوانند ترکیب مناسبی برای استفاده از آنها در نیمه هادی ها، ترانزیستورها و سایر وسایل الکترونیکی بیابند.

نانوسیم ها سیم های کوچکی هستند که محققان قادر به تکثیر آنها هستند. آنها کاربردهای بالقوه زیادی دارند. بسیاری بر این باورند که نانوسیم‌ها در رایانه‌ها و دستگاه های الکترونیک آینده به‌عنوان ترانزیستور و نیمه‌رسانا استفاده خواهند شد.

خطرات نانوتکنولوژی

خطرناک ترین جنبه های فناوری نانو، خطرات ناشناخته، سوء استفاده و اثرات مضر بر سلامت و محیط زیست است. زمانی که فناوری ها از دانش و درک بشر پیشی می گیرند، ریسک های اساسی همیشه وجود دارند.

توانایی تغییر مواد در سطح مولکولی یک مهارت قدرتمند است و در صورت رها شدن در دستان اشتباه می‌تواند منجر به استفاده نادرست شود.

یکی از ترس ها دستکاری ذرات برای آسیب رساندن عمدی به یک یا چند نفر است. به خصوص خطرناک است که یک تروریست از این فناوری برای ایجاد تسلیحات بیولوژیکی یا اتمی کوچک غیرقابل کشف استفاده کند.

نگرانی های اخلاقی سوء استفاده همچنین شامل امکان تغییر ساختار ژنتیکی انسان ها با مهندسی ویژگی های خاص است. چنین رویه‌ای به سمت قشر پردرآمد جامعه هدایت می‌شود و می‌تواند بیشتر جمعیت را به یک طبقه «فوق‌العاده» از موجودات باهوش، قوی و طبقه پایین‌تر از افراد «متوسط» تقسیم کند.

ذرات در مقیاس نانو می توانند اثرات سمی در انسان ایجاد کنند. آنها آنقدر کوچک هستند که پتانسیل عبور از سد خونی مغزی را دارند که می تواند باعث مسمومیت انبوه یا اثرات عصبی ناخواسته شود.

علاوه بر این، دانشمندان نمی دانند که آیا قرار گرفتن در معرض نانوذرات در مدت زمان طولانی بر بدن انسان تأثیر می گذارد یا خیر. اگرچه دستورالعمل های سختگیرانه دولتی برای به حداقل رساندن خطرات احتمالی وجود دارد، برخی هنوز معتقدند که قرار گرفتن در معرض طولانی مدت می تواند باعث مسمومیت آهسته و مشکلات سلامتی در آینده شود.

محققان نمی‌دانند که آیا نانوذرات خطرات بالقوه‌ای برای محیط‌زیست مانند آلودگی منابع آب یا آسیب به جمعیت‌های حیوانات دارند یا خیر.

به دلیل یافته های آزمایشگاهی اخیر، دانشمندان نگرانی های معتبری در مورد تهدیدات کوتاه مدت و بلند مدت نسبت به بدن انسان و محیط زیست دارند:

• نانوذرات می توانند به تشکیل رادیکال های آزاد کمک کنند.
• نانوذرات می توانند از جفت مادر عبور کنند.
• Qdots باعث مسمومیت با کادمیوم در انسان شد.
• کرم‌های خاکی فولرن‌هایی را جذب می‌کردند که به راحتی از خاک عبور می‌کردند.
• فولرن ها باعث آسیب مغزی وسیعی شد و ساختار فیزیولوژیکی ماهی را تغییر داد.

نانوتکنولوژی: مزایا و معایب

بسیاری از کاربردها و مزایای بالقوه عبارتند از:

• پیشرفت در درمان بیماری ها، مانند سرطان
• تجهیزات تصویربرداری و تشخیصی بهتر
• محصولات کم مصرف مانند سوخت و سلول های خورشیدی
• بهبودهایی در تولید که ابزارهای تولیدی بادوام، سبک و کارآمد را امکان پذیر می کند
• دستگاه های الکترونیکی بهبود یافته، از جمله ترانزیستورها، نمایشگرهای LED و پلاسما و کامپیوترهای کوانتومی
• از نانوروبات ها می توان برای بازسازی لایه ازن، پاکسازی مناطق آلوده و انرژی تجدید ناپذیر استفاده کرد.

معایب عبارتند از:

• خطرات بالقوه برای انسان و محیط زیست
• از دست دادن مشاغل تولیدی و کشاورزی
• سقوط بازار اقتصادی مربوط به کاهش بالقوه ارزش نفت به دلیل منابع انرژی کارآمدتر و طلا یا الماس است
• دسترسی به سلاح های کشتار جمعی
• تسلیحات اتمی بهبود یافته
• هزینه تحقیقات

نانوتکنولوژی در پزشکی

بسیاری از نوآوری های هیجان انگیز در زمینه پزشکی به پیشرفت های فناوری نانو مربوط می شود.

این موارد شامل پیشرفت در ابزارهای تصویربرداری و تشخیصی، سیستم های تحویل دارو، شیوه های درمانی، گزینه های ضد میکروبی و ترمیم و بازسازی سلولی است.

محققان در حال حاضر در حال توسعه روش هایی برای استفاده از نانوذرات برای رساندن داروها به طور مستقیم به سلول های خاص هستند.

این امر به ویژه برای درمان سلول های سرطانی امیدوارکننده است، زیرا شیمی درمانی و پرتودرمانی می تواند به سلول های آسیب دیده و سالم آسیب برساند.

درمان‌های دارویی هدفمند، دارو را مستقیماً به سلول‌های آسیب‌دیده می‌رسانند و اثربخشی را افزایش می‌دهند و عوارض جانبی بالقوه را کاهش می‌دهند.

ریز دستکاری نانوذرات می‌تواند اتم‌ها را برای جذب سلول‌های آسیب‌دیده ترتیب دهد که می‌تواند به تشخیص زودهنگام بیماری‌هایی مانند سرطان نیز کمک کند.

از نانوذرات می توان در شرایط اضطراری نیز استفاده کرد. باکی‌بال‌ها را می‌توان به گونه‌ای دستکاری کرد که دارای خواص ضد التهابی برای متوقف کردن واکنش‌های آلرژیک باشد. نانوذرات همچنین می توانند خونریزی را کاهش داده و انعقاد را تسریع کنند.

تست‌های تشخیصی و تصویربرداری را می‌توان با ترتیب دادن نانوذرات برای شناسایی یا اتصال خود به پروتئین‌های خاص یا سلول‌های بیمار و بهبود تصویربرداری MRI بهبود بخشید.

باندهای نانو

باندهای ضد میکروبی در حال حاضر در بازار موجود هستند، اما استفاده های احتمالی بسیار دیگری نیز وجود دارد. از کرم ها می توان برای حمله به عفونت ها و درمان زخم ها استفاده کرد. پانسمان سوختگی درمان شده با نانوکپسول های ضد میکروبی می تواند از عفونت ها پیشگیری و درمان کند.