زنگ نانو 2

  ماهنامه زنگ نانو، مجموعه‌ای چهار صفحه‌ای است که توسط باشگاه نانو چاپ می‌شود و به استان‌های مختلف فرستاده می‌شود تا در مدارس سراسر کشور پخش شود. محتويات علمی اين ماهنامه به صورتی انتخاب می‌شوند که کوتاه و جالب باشند. آنچه در ادامه می آيد مطالب خواندنی شماره دوم زنگ نانو است.

شماره دوم

نانولوله‌های کربنی
آیا تاکنون این نام را شنیده‌اید؟ می‌دانید نانولوله‌های کربنی چه موادی هستند؟ چه خواصی دارند؟ به چه روش‌هایی تولید می‌شوند؟ چه کاربردهایی دارند؟ با مطالعه آنچه دوستانتان «ثمره شجاعی» و «وحیده رحیمی» از تهران درباره نانولوله‌های کربنی نوشته‌اند، می‌توانيد پاسخ اين سوال‌ها را بيابيد.
كشف نانولوله‌های کربنی یكی از اتفاقات مهم حوزه فناوری‌نانو است. نانولوله‌های کربنی اولین بار توسط «سومیو ایجیما» در سال 1991 و به‌صورت کاملاً اتفاقی کشف شدند. ایجیما در حال مطالعه سطوح الکترودهای کربنی با استفاده از روش تخلیه قوس الکتریکی بود که با نانولوله‌های کربنی مواجه شد.
در یک نانولوله کربنی، اتم‌های کربن در ساختاری استوانه‌ای‌ شکل، آرایش یافته‌اند؛ یعنی اين ماده یک لوله توخالی است که جنس دیواره‌اش از اتم‌های کربن است. آرایش اتم‌های کربن در دیواره این ساختار استوانه‌ای، دقیقاً مشابه آرایش کربن در صفحات گرافن است. در گرافن، شش‌ضلعی‌های منظم کربنی در کنار یکدیگر قرار می‌گيرند و يک صفحه را تشکيل می‌دهند. انبوهی از این صفحه‌های کربنی از طریق پیوندهای ضعیف واندروالس به هم پیوند می‌خورند و گرافیت را تشکیل به‌وجود می‌آورند. در نانولوله‌های کربنی صفحات گرافن لوله می‌شوند و استوانه‌هایی با قطر چند نانومتر تولید می‌کنند. نانولوله‌های کربنی دو نوع هستند: نانولوله‌های تك‌دیواره‌ و چنددیواره‌. نانولوله تك‌دیواره از یک دیواره‌ استوانه‌ای گرافنی به قطر 1 تا 2 نانومتر تشکیل شده است. حالا اگر اين نانولوله‌های تک ديواره را با فاصله 3-4 نانومتر، درون هم قرار دهيم و قطر استوانه‌های خارجی را بزرگتر کنيم، يک نانولوله چنددیواره تشکيل می‌شود. قطر خارجی نانولوله‌های چنددیواره 2 تا 25 نانومتر و قطر داخلی آن در حدود 1 تا 8 نانومتر است. طول متوسط نانولوله‌ها می‌تواند تا چندین میكرون باشد.

روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی
دانشمندان برای تولید نانولوله‌های کربنی از روش‌های مختلفی چون قوس الكتریكی، رسوب‌گذاری بخار شیمیایی و تبخیر لیزری استفاده ‌می‌کنند. با استفاده از این روش‌‌ها، امروزه تولید این مواد در برخی از کشورها به حد نيمه‌صنعتی رسیده‌است. پژوهشگاه صنعت نفت ايران می‌تواند با روش رسوب‌گذاری بخار شیمیایی، روزانه چند کیلوگرم نانولوله‌ کربنی توليد کند.
مشخصات نانولوله‌های کربنی
ساختار توخالی نانولوله‌های کربنی، باعث شده که اين مواد بسيار سبک باشند؛ به طوریکه چگالی نانولوله‌های چنددیواره‌ 8/1 و نانولوله‌های تك‌دیواره‌ 8/0 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. نانولوله‌های کربنی بسيار مستحکم هستند، سطح ویژه بالايی دارند و خصوصیات الكتریكی و الكترونیكی آنها منحصربه‌فرد است. نانولوله‌ها 100 برابر از فولاد محكم‌ترند، در حالی كه وزنشان یك‌ششم وزن فولاد است. اين مواد مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی دارند و از پایداری گرمایی بالایی برخوردارند. از آنجايی که الکترون‌ها می‌توانند در در راستای محور نانولوله‌های کربنی (محور استوانه) متقل شوند، اين مواد در راستای محور خود رسانا هستند؛ هم رسانای الکتريسيته و هم رسانای گرما. نانولوله‌های کربنی از لحاظ شيميايی فعال هستند، بنابراين می‌توانند كاتالیزورهای خوبی باشند. آنها خاصیت مویینگی بالایی دارند و می‌توانند گازها و مایعات را در خود جای دهند. داشتن خواص متنوع و منحصربه‌فرد سبب شده نانولوله‌های کربنی كاربردهای بی‌شماری داشته باشند.
(اين تصوير به شما نشان می دهد که چگونه از يک صفحه گرافن، يک نانولوله کربنی تشکيل می شود).

با آسانسور به فضا برویم
آیا غیر از سفینه‌های فضاپیما، راه دیگری برای رفتن به فضا وجود دارد؟ آسانسور چطور است!؟ دانشمندان مدت‌هاست كه به ساخت آسانسورهایی می‌اندیشند که از یک طرف به ماه و از طرف دیگر به زمین منتهی شوند. با استفاده از این آسانسورها می‌توان تنها با فشار دادن یک دکمه، به ماه سفر کرد و یا هر وسيله و شيئی را به آنجا فرستاد! دانشمندان می‌گويند این آسانسورها وزن زیادی خواهند داشت و برای جابه‌جایی آنها نیازمند یک کابل بسیار بسیار قوی هستیم؛ کابلی که بتواند این دستگاه را تا هزاران کيلومتر بالاتر از سطح زمين حمل کند. دانشمندان برای حل این مشکل در فكر استفاده از نانولوله‌های کربنی هستند؛ نسبت طول به عرض بالا (بيش از 1000 برابر) و استحکام فراوان (100 بار محکم‌تر از فولاد) باعث شده که اين مواد گزینه‌ی مناسبی برای این منظور باشند. بنابراین، يکی از گام‌های مهم در ساخت آسانسورهای فضایی، تولید کابل‌هایی از جنس نانولوله‌های کربنی است که طول زیادی داشته باشد و بتواند در فاصله میان ماه و کره زمین قرار گیرد. فكر می‌كنید چنین چیزی ممكن است؟ اگر ساخت آسانسورهای فضایی به واقعیت بپیوندد، روزی خواهد رسید که سفرهای فضایی، تبدیل به سفری معمولی می‌شود و شايد هر کس ‌بتواند به فضا سفر کند.

    فناوری نانو چیست؟ «جهان مادی ما از اتم ساخته شده است» این ادعایی بود که دموکراتوس- فیلسوف یونانی- 2400 سال پیش آن را بر زبان آورد. 200 سال بعد لوکریتوس رومی، فرضیه او را بدین گونه بیان کرد:« جهان از فضاهای بی نهایت و تعداد نامتناهی از ذرات ریز تجزیه‌ناپذیر یعنی همان اتم‌ها ساخته شده است. تنوع اتم‌ها تنها در شکل و اندازه و جرم آنهاست.» علی‌رغم ارزشی که این اطلاعات داشت، ولی در آن زمان چیزی جز فرضیه محض نبودند. با گسترش دانش بشر، ایده درخشان دموکراتوس بسیار تغییر کرد. او اطلاعات بسيار زيادی در مورد اتم‌ها و مولکول‌ها کسب کرد اما تا پيش از دهه 1980 هيچ‌گاه نتوانست آنها را مشاهده کند. در اين دهه بشر میکروسکوپ جدیدی ساخت که به کمک آن توانست وارد دنيای اتم‌ها و مولکول‌ها شود؛ این توانمندی او را مصمم‌تر نمود تا دانش خود را در ارتباط با اتم‌ها و مولکول‌‌ها- واحدهای تشکیل‌دهنده مواد- افزایش دهد و به بررسی ساختار و چیدمان اتمی مواد بپردازد و این داستان مقدمه‌ای شد برای شکل‌گيری و توسعه فناوری نانو. در چند دهه اخیر، مطالعات بسیاری پیرامون پدیده‌ها و تغییر خواص مواد در مقیاس نانو صورت گرفته است. نتيجه اين مطالعات در محدوده دانش نانو (يا علوم نانو) قرار می‌گيرد. آنچه که "دانسته‌های" ما از پديده‌های نانومقياس را تبديل به "محصول" می‌کند و به زندگی روزمره ما وارد می‌کند، فناوری‌نانو است. به عنوان مثال دانش نانو به ما می‌گويد که نانوذرات طلا در اندازه‌های مختلف به رنگ‌های مختلف دیده شوند و چرايی اين موضوع را برای ما شرح می‌دهد. او برای ما توضيح می‌دهد که چگونه وجود یک لایه نانومتری بر سطح برگ نیلوفر آبی این امکان را فراهم می‌آورد که آب به سرعت و سهولت از سطح آن لیز بخورد. دانش‌نانو می‌داند چرا ذرات آلومینیوم در مقیاس نانو دارای خاصیت انفجاری زیادی هستند و ... ؛ فناوری‌نانو از رنگارنگی نانوذرات طلا برای تشخيص سرطان استفاده می‌کند، با استفاده از لایه‌های نانومتری لباس‌‌های خودتمییزشونده می‌سازد و از نانوذرات آلومینیوم برای سوخت راکت موشک استفاده می‌کند. تبدیل دانسته‌های علمی به محصولات جدید و پیشرفته، مهم‌ترین هدف فناوری‌نانو است.


بازگرداندن بینایی موش کور با استفاده از فناوری نانو
آیا تا به حال به زخم‌های روی بدن خود توجه کرده‌اید؟ وقتی قسمتی از بدن زخم می‌شود، رشته‌های عصبی موجود در بدن، از هم فاصله گرفته و در محل زخم حالت دَلَمه ایجاد می‌کنند. دلمه روى زخم یکى از عواملى است که مانع از اتصال دوباره دو رشته‌هاى عصبى قطع‌شده مى‌شود. محققان هنگ‌‌کنگى و آمریکایى به‌منظور برطرف نمودن این مشکل، به فکر استفاده از امکاناتى افتادند که فناورى‌نانو در علوم زیستى و مقیاس مولکولى ارائه مى‌دهد. این گروه، با قطع اعصاب بینایى یک همستر (نوعى موش صحرایى) ابتدا موش را کور کردند و سپس با تزریق محلولى حاوى نانوذرات به رشته‌هاى قطع‌شده اعصاب بینایى، امکان رشد دوباره اين اعصاب را فراهم کردند. آنها موفق شدند که با اين روش بینایى جانور را بازگردانند. محلول تزریقی، حاوى پپتیدهاى مصنوعى بود و اندازه هر یک از آنها به گونه‌اى تنظیم شده بود که از پنج نانومتر تجاوز نکند. پپتیدها با رسیدن به بخش‌هاى جراحت‌دیده، به‌صورت خودجوش یک ساختار داربست‌مانند و ضربدرى از رشته‌هاى نانومترى ایجاد مى‌کنند تا از این طریق، بین بخش‌هاى قطع‌شده پلى بوجود آورند. دانشمندان مشاهده کردند که رشته‌هاى قطع‌شده اعصاب بینایى، با استفاده از این داربست نانومتری، دوباره شروع به بازسازى و اتصال مجدد می‌کند و از بروز حالت دلمه بر روى زخم جلوگیرى می‌نمايد. دانشمندان این کار را بر روی موش‌های پیر و جوان انجام دادند و به اين نتيجه رسيدند که پس از تزریق دارو رشته‌هاى عصبى هم در مغز همسترهاى جوان (که به‌صورت عادى در حال رشد و تولید رشته‌هاى جدید هستند) و هم در مغز همسترهاى بزرگ‌سال (که رشد آنها متوقف شده) فعال می‌شوند و شروع به تولید رشته‌هاى جدید می‌کنند.
نتيجه حیرت‌آور اين پژوهش نشان می‌دهد که نانومواد مى‌توانند مستقیماً خود رشته‌هاى عصبى را فعال کنند و آنها را وادار به رشد کنند. علاوه بر این در این آزمایش مشاهده شده که پپتیدهای موجود در بدن، به‌وسیله اجزاى بدن همستر به مواد بى‌خطرى تجزیه شده و سه تا چهار هفته پس از تزریق از طریق ادرار جانور از بدن او خارج مى‌شوند. محققان امیدوارند در مرحله بعدى بتوانند این شیوه را بر روى انسان نیز آزمايش کنند. هدف نهایى این روش آن است که بتوان از آن براى اتصال رشته‌هاى عصبى قطع‌شده بر اثر سکته مغزى یا جراحت‌هاى وارده به سر استفاده شود.  

پای مارمولک و نوارچسب‌های قوی
حتماً بارها حرکت وارونه مارمولک بر روی سقف را دیده‌اید. به نظر شما اندام‌های حرکتی این جانور چگونه طراحی شده‌اند که به‌راحتی می‌توانند به سطوح مختلف بچسبند؟ دست و پاهای مارمولک از هزاران موی نازک نانومتری پوشیده شده‌اند که به‌طور نامنظمی بر روی سطح آن قرار گرفته‌اند. فاصله اندک این موها با سطح، سبب می‌گردد که نیروی جاذبه قوی‌ای میان آنها برقرار گردد. میزان این نیرو به حدی است که حیوان می‌تواند به‌آسانی روی سقف حرکت کند. دانشمندان با الهام از پای مارمولک، چسب‌های بسیار قدرتمندی ساخته‌اند که این چسب‌ها تحمل وزنی برابر 100کیلوگرم را دارند. این چسب‌ها از لحاظ ظاهری مشابه نوارچسب‌های معمولی هستند. همان‌طور که ما برای چسباندن عکس‌های کاغذی بر روی دیوار می‌توانیم از چسب‌های نواری استفاده کنیم، با استفاده از این چسب‌های جديد می‌توان چسب‌هايی توليد کرد که می‌توانند LCDهای بزرگ به دیوار متصل ‌كنند، بدون آنكه هیچ‌ اثری بر روی دیوار باقی بگذارند. برای ساخت این نوارچسب‌ها، دانشمندان از صفحات حاوی نانولوله‌های کربنی استفاده کرده‌اند که با اتصال رشته‌های مجعد کربن به سطح آنها، سطوح چسبنده‌ای ایجاد می‌شود. عملکرد این سطح کاملاً شبیه عملکرد پرزهای ظریفی است که بر روی پای مارمولک وجود دارد. وقتی این رشته‌های مجعد را به سطحی بچسبانیم، نانولوله‌ها با سطح هم‌ردیف شده و اتصال بسیار محکمی را ایجاد می‌کنند. نیرویی که حتی 10 بار قوی‌تر از نیروی جاذبه پای مارمولک است. شاید بعدها بتوانیم با استفاده از این چسب‌ها در اتصالات الکتریکی بی‌نیاز از جوشکاری شویم.   باشگاه نانو