تازه های فناوری نانو

فناوری نانو که از ان به عنوان "انقلاب صنعتی دوم" یاد می کنند بخشی از اینده نیست بلکه تمام اینده است وتمامی ابعا د زندگی ماراتحت تاثیر قرار خواهد داد ."حوزه نانو، به هیچ حوزه خاصی ازعلم تعلق ندارد،بلکه به همه متعلق است"این توصیف بی نهایت ومنحصر به فرد بودن فناوری نانورا میرساند.این فناوری به سرعت در بسیاری از جبهه ها درحال پیشرفت است.در این سری مطالب تازه ترین پژوهش های محققان را درزمینه ی فناوری نانو برای کاربردهای مختلف بازگو می کنیم. 

کامپیوترهای فوق سریع با کمک نانومیله های پلاسمونیک

یک گروه بین ‌المللی از دانشمندان یک قدم به ساخت اجزاء نوری برای کامپیوترهای فوق سریع و سرویس‌ های اینترنت پرسرعت نزدیک‌ تر شده است.

انتقال اطلاعات با استفاده از پرتوهای نور به جای جریان ‌های الکتریکی برای ایجاد انقلابی در سرعت‌ های پردازش داده ‌ها توان بالقوه ‌ای دارد.

سرعت پردازش و انتقال اطلاعات، در صورت استفاده از پرتوهای نور بجای سیگنال ‌های الکتریکی به شدت افزایش خواهد یافت. اما تاکنون این کار انجام نشده است، زیرا چالشی که در این زمینه وجود دارد، این است پرتوهای نور در حین انتقال در سرتاسر یک ماده با همدیگر برهم ‌کنش ندارند.

این داشمندان با طراحی یک ماده مصنوعی جدید، این مشکل را حل کرده‌ اند. آنها نشان داده ‌اند که نانومیله ‌های طلای پلاسمونیکِ قرار گرفته در کنار همدیگر، موقعی که بوسیله یک پالس نوری کم انرژی مورد تابش قرار گیرند، یک تغییر گذار فوق سریع تولید می ‌کنند. این رفتار سویچینگ فوق سریع بواسطه جفت‌ شدگی قوی بین پلاسمون‌ های نانومیله می ‌باشد. پلاسمون‌ ها، پاسخ ‌های الکترون - آزاد جمعی فلزات هستند که در نتیجه برخورد نور رانده می ‌شوند.

عکس چپ: نانو میله های طلای پلاسمونیک ،

عکس راست: مد لینگ میدان پلاسمونیک جفت شده ومجزا.طبیعت غیر موضعی شده ی این میدان پلاسمونیک

مشخص است.

در حقیقت این ماده مصنوعی این امکان را فراهم می ‌کند که پرتوهای نور به طور مؤثری برهم ‌کنش داشته باشند و شدت را تغییر دهند و بنابراین اجازه می ‌دهد که پرتوی‌ های نور اطلاعات را با سرعت‌ های بسیار بالا مرتب کنند.

آناتولی زایاتس، یکی از این محققان، توضیح می ‌دهد: اگر ما قادر شویم که جریانی از نور را با همان روشی کنترل کنیم که جریانی از الکترون‌ ها را در تراشه‌ های کامپیوتری کنترل می‌ کنیم، می ‌توانیم نسل جدیدی از ماشین ‌های پردازش گر داده بسازیم که قابلیت این را دارند که مقادیر بسیار زیادی از اطلاعات را با سرعتی بسیار بیشتر از سرعت کامپیوترهای مدرن پردازش کنند..

او اضافه می‌ کند: ماده جدیدی که ما ساخته‌ ایم (اغلب متاماده نامیده می ‌شود)، را می ‌توان در تراشه ‌های موجود جهت بهبود عملکردشان یک پارچه کرد، یا برای ساخت تراشه ‌های تمام نوری استفاده کرد و بنابراین انقلابی در سرعت پردازش داده ایجاد کرد. در حالی که هنوز چالش ‌های زیادی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد، پیش ‌بینی می ‌کنیم که در آینده این فناوری پر سرعت را بتوان برای مثال در کامپیوترهای شخصی، تلفن‌ های همراه، خودروها و هواپیماها بکار برد.

این محققان جزئیات نتایج خود را در مجله‌ Nature Nanotechnology منتشر کرده‌اند.

محققان دانشگاه منچستر کشف کرده‌اند که می‌توان از موهای زبر نانومقیاسی که از موجودات دریایی گرفته می‌شود، در تولید بافت ماهیچه‌ای انسانی بهره برد. آنها دریافته‌اند که سلولز گرفته شده از جانوران نیام‌دار دریایی که به‌نام آب‌دزدک دریایی نیز شناخته می‌شوند، می‌تواند بر رفتار سلول‌های ماهیچه‌ای اسکلتی در آزمایشگاه تأثیر بگذارد.

تولید بافت ماهیچه با استفاده از موهای نانومقیاس

این نانوساختارها چندین هزار برابر کوچک‌تر از سلول‌های ماهیچه‌ای بوده و کوچک‌ترین ساختارهای فیزیکی شناخته‌شده‌ای هستند که موجب نظم سلولی می‌شوند. نظم و صف‌بندی سلول‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا بسیاری از بافت‌های بدن از جمله بافت ماهیچه، حاوی الیاف منظمی هستند که موجب استحکام و سفتی بافت می‌شوند.

سلولز یک پلی‌ساکارید است (زنجیره‌ای بلند از مولکول‌های قند متصل به‌هم) که به‌طور معمول در گیاهان یافت می‌شود و همچنین جزء اصلی کاغذ و الیاف خاصی همچون کتان به‌شمار می‌رود. این مولکول قبلاً در کاربردهای پزشکی مختلفی همچون پانسمان زخم به‌کار رفته است، اما این اولین بار است که از آن برای ایجاد بافت ماهیچه‌ای اسکلتی استفاده می‌شود.

موجودات نیام‌دار روی صخره‌ها وساختارهای مصنوعی که توسط بشر در نواحی ساحلی ایجاد شده‌اند، رشد می‌کنند. سلولز استخراج شده از این موجودات به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردی که دارد، برای ایجاد بافت ماهیچه‌ای بسیار مناسب است.

دکتر استفان ایچهورن و دکتر جولی گوف، اعضای هیئت علمی دانشگاه منچستر به‌همراه جیمز دوگان، دانشجوی دکترای این دانشگاه، به‌صورت شیمیایی سلولز این موجودات را به‌شکل موهای بسیار باریک نانومقیاس استخراج کردند. یک نانومتر یک میلیاردیم یک متر است و قطر این نانوساختارهای مومانند تنها یک دهم نانومتر است که بسیار باریک‌تر از قطر موی انسان است. زمانی که این نانوساختارها ردیف شده و به‌صورت موازی با یکدیگر قرار می‌گیرند، می‌توانند سلول‌های ماهیچه‌ای را به‌سرعت ردیف کرده و به‌هم متصل نمایند.

این روش ساده و نسبتاً سریع است و این امکان را برای دکترها فراهم می‌آورد که بتوانند به‌سرعت ساختارهای ردیف‌شده معمول از بافت ماهیچه‌ای اسکلتی تولید نمایند. از این بافت می‌توان برای ترمیم ماهیچه موجود و یا ایجاد یک ماهیچه کاملاً جدید بهره برد. تولید بافت مصنوعی که بتواند جایگزین ماهیچه آسیب‌دیده انسان شود، می‌تواند تحولی در زمینه پزشکی ایجاد کرده و میلیون‌ها انسان را در سرتاسر جهان منتفع سازد.

جزئیات این تحقیق در مجله Biomacromolecules منتشر شده است.

 دانشمندان فرانسوی یک ماده چسبناک متشکل از یک هیدروژل پر شده از نانوذرات ساخته اند. که آن را می توان برای تولید مرهم های زخمی استفاده کرد که موقعی که بدن عرق می کند، از روی آن جدا نمی شوند. این دانشمندان ادعا می کنند که این ماده را حتی برای دارورسانی از طریق پوست نیز می توان استفاده کرد.مرهم های رایج زخم در حضور آب (که جزء اصلی عرق است)، توانایی خود را در چسبیدن به پوست از دست می دهند. اکنون دانشمندان در فرانسه برای غلبه بر این مشکل مواد چسبنده ای بر اساس هیدروژل ها ساخته اند. هیدروژل ها حاوی مقدار زیادی آب هستند که به آن ها اجازه می دهد که آب اضافی از عرق را جذب کنند، با این حال خواص مکانیکی شان از قبیل آلاستیسیته اغلب ضعیف است.

نانوذرات ،مرهم زخم را در برابر عرق مقاوم می کنند

این پژوهشگران برای بهبود خواص مکانیکی و القاء چسبندگی حساس به فشار، هیدروژل ها را با نانوذرات ساخته شده از پلی استایرن پر کردند. در حالت چسبندگی حساس به فشار، موقعی که فشار اعمال می شود، ماده چسبنده با سطح پیوند تشکیل می دهد و به آن می چسبد کریستوف دریل، یکی از این پژوهشگران، توضیح می دهد: بین خواص [جریان] رئولوژیکی ژل ها و خواص چسبندگی شان رابطه ای وجود دارد. نانوذرات می توانند رفتار رئولوژیکی از ثابت نگه دارند، حتی اگر ژل مقداری زیادی از سیال را جذب کند.

توضیح: پر کردن هیدروژل ها با نانوذرات،چسبندگی انها را بهبود داده وخواص مکانیکی شان را افزایش می دهد.

این گروه تحقیقاتی متوجه شد که یک ترکیب هیدروژلی متشکل از پل آکریلامید و پلی (آکرپلامید- هیدروکسی اتیل متاکربلات) بهترین مقاومت مکانیکی و چسبندگی را دارد. موقعی که آن ها این ماده ی هیدروژلی را روی پوست مصنوعی ساخته شده از اجزاء چربی دار اضافه شده به پروتئین، امتحان کردند، مشاهده کردند که این ماده به آسانی از این پوست جدا شد این خاصیت برای کاربردهای تماس پوستی مهم است.

این پژوهشگران جزییات نتایج کار خود را در مجله ی soft matter منتشر کرده اند. 

گامی به سوی باتری‌های انعطاف‌پذیر

دانشمندانی از کره جنوبی فهمیده‌اند که با استفاده از نانوورقه‌های گرافنی، ساخت منابع تغذیه قابل خمش امکان‌پذیر خواهد بود. دیگر افزاره‌های الکترونیکی به مصارف خانگی یا ادارات محدود نیستند. ما با آنها مسافرت می‌کنیم، آنها را جابجا می‌کنیم و حتی آنها را می‌پوشیم. برای ساخت تجهیزاتی مانند نمایشگرهای لوله‌شونده و افزاره‌های قابل پوشیدن، منابع تغذیه‌ای که بخواهند آنها را تغذیه کنند نیز باید خیلی انعطاف‌پذیر باشند.

چالش اصلی برای توسعه یک منبع تغذیه واقعاً خمش‌پذیر به کمبود ماده‌ای مربوط می‌شود که هم دارای خاصیت انعطاف‌پذیری بالا و هم رسانایی الکترونیکی خوب باشد. پلیمرها به طور نوعی استفاده می‌شوند، ولی آنها در دماهای نسبتاً کم از بین می‌روند و همین امر باعث می‌شود که زیاد ایده‌آل نباشند.

 کیسوک کانگ از موسسه علوم و فناوری پیشرفته کره در دائجون و همکارانش با استفاده از یک الکترود هیبریدی گرافنی، باتری قابل شارژ انعطاف‌پذیری تولید کرده‌اند. کانگ می‌گوید که عملکرد این باتری امیدوارکننده است.

در این باتری، ماده کاتدی که در اینجا V2O5است، با استفاده از رسوب لیزر پالسی بر روی یک صفحه گرافنی رشد داده می‌شود و صفحه‌ای از گرافن پوشیده شده با لیتیوم نیز بعنوان آند استفاده می‌گردد. باتری بدست آمده سبک ‌وزن است و به اندازه کافی انعطاف‌پذیر است تا مورد پیچش و خمش قرار گیرد.

کانگ توضیح می‌دهد که این الکترود در مقایسه با الکترودهای غیرقابل انعطاف متداول، برای اکثر جوانب مربوط به خواص الکتروشیمیایی دارای عملکرد الکتروشیمیایی بهبود یافته‌ای است. برای مثال چگالی انرژی و توان بالاتر، و عمر چرخه بهتری دارد.

هیرویوکی نیشیده، متخصص پلیمرهای عملکردی و استفاده آنها در الکترونیک از دانشگاه واسدای ژاپن، می‌گوید: "نانوساختارهای گرادیانی ناشناخته هستند و رهیافت آنها در ساخت افزاره انعطاف‌پذیرِ لوله شونده دارای آتیه بسیار خوبی در نسل جدید ذخیره‌کننده‌های انرژی است".

کانگ امیدوار است که با استفاده از الکترولیت پلیمری یا حالت جامد بتواند این کار را جهت افزایش کارآیی این باتری و پایداری طولانی آن توسعه دهد. او معتقد است که با ترکیب این فناوری جدید با سایر مواد عملکردی می‌توان در کاربردهایی مانند کاتالیزورها، افزاره‌های فوتوولتایی و دیودهای نورگسیل آلی از آنها استفاده کرد.

این دانشمندان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را تحت عنوان "افزاره‌های ذخیره انرژی انعطاف‌پذیر مبتنی بر کاغذ گرافنی" در مجله‌ی Energy Environ. Sci. منتشر کرده‌اند.

هنگامی که آب شیرین رودخانه‌ها داخل دریا وارد می‌شود، اختلاف غلظت نمک منجر به یک تغییر در انتروپی می‌شود. پژوهشگران در آمریکا با کمک فناوری‌نانو باتری ساخته‌اند که از اختلاف انتروپی، توان تولید می‌کند. پی‌چو و همکارانش با استفاده از الکترودهای نقره‌ای و نانومیله‌های دی‌اکسید منگنز، از این اختلاف انتروپی، انرژی را با راندمان 75درصد استخراج می‌کند.

باتری جدید از اختلاف شوری آب، برق تولید می‌کند

چو می‌گوید که آنها نشان داده‌اند که این ایده را واقعا می‌توان عملی کرد. گروه تحقیقاتی چو تخمین می‌زند که اگر این فناوری در همه دریاهای جهان استفاده شود، انرژی تجدید‌پذیری برابر با بطور تقریبی 2 تریلیون وات (یعنی حدود 13 درصد مصرف کل جهان) تولید می‌کند.

با این باتری می‌توان از اختلاف انتروپی، توان تولید کرد

تولید توان بر اساس انتروپی قبلاً انجام شده است، اما بهترین روشی که امروزه استفاده می‌شود، جداسازی آب دریا و آب تازه با غشاء است که در آن یون‌ها در سرتاسر غشاء مهاجرت می‌کنند و جریان الکتریسیته تولید می‌کنند. در روش این محققان، انرژی از اختلاف غلظت بین دو محلول با ذخیره کردن آن به صورت شیمیایی در باتری، استخراج می‌شود.

برت هامیلرز، رئیس گروه انرژی تجدیدپذیر در دانشگاه واگنینگن در هلند، می‌گوید:" مزیت بزرگ فناوری مذکور این است که آن نیاز به هیچ غشایی ندارد، اما به الکترودهایی با سطح ویژه بزرگ نیاز دارد." چو می‌گویدکه الکترود نانومیله‌ای آنها سطح ویژه بزرگی دارد. این باتری طی حرکت‌های یون‌های سدیم و کلر به داخل و خارج شبکه بلوری این الکترودها، انرژی را استخراج می‌کند.این باتری در آب دریا هنگامی که یون‌های کلر بوسیله الکترود نقره و یون‌های سدیم بوسیله الکترود دی‌اکسید منگنز گرفته می‌شوند، تخلیه می شود. این یون‌ها هنگامی که این باتری در آب تازه شارژ می‌شود، رها می‌شوند.

به دلیل غلظت یونی بالاتر در آب دریا، انرژی الکتریکی تخلیه‌شده بزرگ‌تر از انرژی مورد نیاز برای شارژ این باتری است. چو می‌گوید که در حقیقت دلیل اینکه ما می‌توانیم این انرژی را بدست آوریم این است که الکترولیت را تغییر می‌دهیم. در روش این پژوهشگران، هزینه‌ها به دلیل عدم نیاز به غشاء بسیار کم‌تر از دیگر روش‌ها است.

چو که به دلیل راندمان بالای این باتری هیجان زده شده است، امید دارد که با بهینه کردن مواد الکترودی، به راندمان بالاتری برسند. او می‌گوید: اگر ما دو الکترود را بهم نزدیک کنیم، فکر می‌کنم که بتوانیم به راندمان حدود 85 درصد برسیم.

جزئیات نتایج این تحقیق در مجله‌ی Nano Letters منتشر شده است.

پژوهشگران در سنگاپور برای رفع مشکل تحلیل رفتن و کاهش ظرفیت باتری های یون لیتیوم بعد از تعداد زیادی چرخه شارژ - تخلیه، راهبرد جدیدی شرح داده اند. این راهبرد شامل استفاده از یک ماده نانوکامپوزیتی با ساختاری شبیه نخود فرنگی و پوسته شان است، که متشکل از نانوذرات اکسید کبالت((Co3O4 درج شده در الیاف کربنی است.

نانو کامپوزیت جدید عملکرد باتری ها را بهبود می دهد

چپ: نانوذرات اکسید کبالت درج شده در الیاف کربنی

راست: نخودفرنگی وپوسته شان.این ساختار شبیه نخودفرنگی وپوسته شان ،طول عمر الکترودها در باتری های یون لیتیوم رابهبود می دهند

در باتری های یون لیتیوم، یو ن های لیتیوم طی فرآیندهای شارژ و تخلیه با تشکیل آلیاژ یا تبدیل شیمیایی، به طور تکراری وارد الکترو دها شده و از آنها خارج می شوند. این فرآینده ای تکراری سبب تحلیل تدریجی الکترودها شده و به طور برگشت ناپذیری عملکرد این باتری ها را بدتر می کند.

اکنون یو وانگ و همکارانش در A*STAR برای غلبه بر این مشکل یک راهبرد ظریف شرح داده اند.

اکسید کبالت یک ماده نویدبخش برای آندها در باتری های یون لیتیوم است؛ زیرا ظرفیت آن برای نگه داشتن یون ها بیشتر از ظرفیت مواد الکترودی مرسوم از قبیل قانع است به علاوه Co3O4به آسانی به LiCoO3 که ماده ای است که اخیرا در کاتدهای تجاری استفاده می شود، تبدیل می شود.

این پژوهشگران با گرم کردن نانوتسمه های هیدرواکسید کربنات کبالت روکش داده شده با لایه های گلوکز پلیمره شده، در یک اتمسفر بی اثر در 700 درجه سلسیوس و سپس در هوا در 250 درجه سلسیوس، ساختارهایی شبیه نخود فرنگی و پوسته شان تولید کردند. الکترودهای ساخته شده با این نانوکامپوزیت ذخیره لیتیوم و ماندگاری ظرفیت را افزایش دادند.

وانگ می گوید: «نانوذرات کبالت به عنوان مواد فعال برای ذخیره یو ن های لیتیوم عمل می کنند و الیاف کربنی این نانوذرات را از جمع شدن و تخریب محافظت می کنند. این الیاف کربنی همچنین نقش هدایت الکترو ن ها از این نانوذرات را بازی می کنند».

این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی ACS Nano منتشر کرده اند.

 پژوهشگران در موسسه پلی تکنیک رنسلار نوع کاملاً جدید از نانومواد ساخته اند که با استفاده از آن می توان نسل جدیدی از باتری های یون لیتیوم قابل شارژ پر توان برای خودروهای الکتریکی، لپ تاپ ها، تلفن های همراه و دیگر افزاره های قابل حمل ساخت.

نسل جدیدی از باتری ها با کمک نانوماده جدید

این ماده جدید به دلیل شبیه بودن شکلش به مخروطی که یک گلوله بستنی شکل روی نوکش قرار دارد، نانو گلوله ی بستنی شکل نامیده می شود و می تواند سرعت های بی نهایت بالایی از شارژ و تخلیه را تحمل کند، در حالی که سرعت های بالای شارژ و تخلیه سبب می شوند که الکترودهای مرسوم استفاده شده در باتری های یون لیتیوم امروزی، به سرعت تحلیل رفته و شکسته شوند. دلیل این توانایی های نانوماده مذکور اندازه ساختار و ترکیب بی نظیرش است.

این گروه به رهبری نیخیل کوراکتار شرح داد که چگونه یک الکترود ساخته شده از این نانوماده می تواند با سرعت هایی حدود 40 تا 60 برابر بیشتر از آندهای باتری های مرسوم شارژ و تخلیه شود، در حالی که چگالی انرژی خود را در حد قابل قبولی حفظ کند.

تصویرمیکروسکوپ الکترونی پیمایشگراین نانو ماده جدید

نانو ماده این پژوهشگران متشکل از یک نانومیله کرینی (C) در انتها است که روی نوک آن لایه ای از آلومینیوم (AI) نانومقیاس و سپس گلوله ی بستنی شکل از سیلیکون (S) نانومقیاس قرار دارد. این ساختار انعطاف پذیر است و قادر است با سرعت های بسیار بالایی پذیرای یون های لیتیوم باشد و آنها را تخلیه کند، بدون آنکه صدمه ای ببیند ساختار قطعه قطعه ی این نانوماده اجازه می دهد که کرنش به تدریج از کرین انتهایی به لایه آلومینیومی و در نهایت به گلوله بستنی سیلیکونی انتقال یابد.

طبق گفته این پژوهشگران، از آنجایی که نانو ساختارها در مقایسه با مواد توده ای تمایل کمتری به ترک برداشتن دارند. اندازه نانو مقیاس این ماده حیاتی است.

جزییات نتایج این کار تحقیقاتی در مجله ی Nano Letters منتشر شده است. 

نمایش گرهای تماسی ساخته شده از کربن

نمایشگرهای تماسی به خاطر اینکه حاوی عناصر گران و کمیاب هستند، هنوز قیمت بالایی دارند. به همین دلیل پژوهشگران در مؤسسه آلمانی فرانهوفر تلاش می‌ کنند که از مواد خام تجدید پذ یر کم هزینه که در همه جا قابل دسترس هستند، نمایشگر تماسی جایگزینی بسازند. این نمایش گرهای تماسی جدید، حاوی نانولوله‌های کربنی هستند.

نمایشگرهای تماسی دارای الکترود نازک ویفری ساخته شده از اکسید قلع ایندیوم (ITO) هستند که در زیر سطح شیشه‌ای نمایشگر قرار دارد. این ماده برای استفاده در نمایشگرهای تماسی تا حدی ایده‌آل است، زیرا در هدایت جریان‌های کوچک عالی است و اجازه می‌دهد که رنگ‌های نمایشگر بدون ممانعت عبور کنند. اما یک مشکل کوچک وجود دارد، مقادیر کمی از ایندیوم در جهان وجود دارد. سازندگان افزاره ‌های الکترونیکی بیم دارند که در دراز مدت وابسته به قیمت‌هایی شوند که تهیه‌کنندگان این ماده تعیین می‌ کنند.

بنابراین صنایع خصوصی علاقه زیادی دارند که جایگزینی برای اکسید قلع ایندیوم پیدا شود. اکنون پژوشگران مؤسسه فرانهوفر موفق شده‌ اند که برای این الکترودها، ماده ‌ی جدیدی استفاده کنند که همان کارایی اکسید قلع ایندیوم را دارد و علاوه بر آن بسیار ارزان‌ تر نیز است.

اجزاء ‌اصلی این ماده نانولوله‌های کربنی و پلیمرهای ارزان قیمت هستند. این ورقه الکترودی جدید از دو لایه تشکیل شده است. یکی از این لایه‌ها، حامل بار است که یک ورقه نازک ساخته شده از پلی‌ اتیلن ‌ترفتالات (PET) ارزان ‌قیمت می ‌باشد. این پلیمر برای ساخت بطری ‌های پلاستیکی استفاده می ‌شود. سپس ترکیبی از پلیمرهای رسانا و نانولوله ‌های کربنی اضافه می‌ شود. این ترکیب به ‌صورت یک محلول به لایه ‌ی PET اضافه می ‌شود که بعد از خشک شدن، تشکیل یک فیلم نازک می ‌دهد.

در مقایسه با اکسید قلع ایندیوم، این ترکیبات پلیمری دوام چندانی ندارند، اما نانولوله‌های کربنی آنها را بادوام می ‌کنند.این پژوهشگران نتایج تحقیق خود را در کنفرانس و همایش بین‌ المللی فناوری ‌نانو در توکیو ارایه کردند.

 کاشی‌ ‌های نانوسیمی توانایی انجام کارهای منطقی و ریاضی را دارند و کاملاً مقیاس ‌پذیر می ‌باشند. مهندسان دانشگاه هاروارد اولین نانوپردازنده قابل برنامه‌ ریزی جهان را ساخته و به نمایش گذاشته‌ اند. نمونه اولیه این سیستم رایانه ‌ای جدید، بیانگر یک گام مهم در راستای ارتقای پیچیدگی مدارهای رایانه‌ ای است که می‌ توانند از مولفه‌ های نانومقیاسی سنتزی، آرایش یابند.

ساخت اولین نانوپردازنده های قابل برنامه ریزی جهان

چارلز لایبر، از دانشگاه هاروارد و یکی از این محققان، می ‌گوید: "این کار نشان‌ دهنده یک پرش کوانتومی به سوی افزایش پیچیدگی و عملکرد مدارهای ساخته شده از روش ‌های پایین به بالا است و به ‌همین خاطر نشان می ‌دهد که این نمونه پایین به بالا، که با روشی که امروزه مدارهای تجاری از آن ساخته می ‌شود، متفاوت است، می‌ تواند در آینده در ساخت نانوریزپردازنده‌ها و سایر سیستم‌ های مجتمع مورد استفاده واقع شود".

تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی با رنگ مصنوعی از یک نانو پردازنده نانوسیمی قابل برنامه ریزی که روی طرحواره یک ساختا رمدارنانو ریز پردازنده قرار گرفته است.

این کار به خاطر پیشرفت‌ های انجام شده در طراحی و سنتز آجربناهای نانوسیمی امکان‌ پذیر شده است. اکنون این مولفه ‌های نانوسیمی نشان گر تکرارپذیری مورد نیاز برای ساخت مدارهای الکترونیکی عملکردی هستند و همچنین این کار را در اندازه ‌ها و موادی انجام می ‌دهند که انجام آنها با رهیافت‌ های بالا به پایین متداول بسیار مشکل است.

علاوه براین، این ساختار کاشی‌ کاری شده بسیار مقیاس‌ پذیر است و به‌ همین خاطر اجازه آرایش نانوریزپردازنده ‌های بزرگ ‌تر و با خواص عملکردی بیشتر را می ‌دهد. ویژگی دیگر این پیشرفت آن است که مدارهای موجود در این نانوپردازنده‌ها، با لحاظ کردن اندازه کوچک آنها، توان مصرفی بسیار کمی دارند. این به این دلیل است که سوئیج های ترانزیستوری آن ها «غیرفرار» هستند. این بدان معناست که برخلاف ترانزیستورهای موجود در مدارهای ریزرایانه ای متدوال، همین که این ترانزیستورهای نانوسیمی برنامه ‌ریزی شوند دیگر هیچ نیازی به توان الکتریکی اضافی برای نگهداری آنها نخواهد بود. این محققان نتایج خود را در مجله ‌ی Nature منتشر کرده ‌اند.

ساخت قوی ترین میکروسکوپ نوری در دنیا

دانشمندان در دانشگاه منچستر قوی ترین میکروسکوپ نوری در دنیا را تولید کرده اند. این میکروسکوپ می تواند به درک دلیل بسیاری از بیماری ها و ویروس ها کمک کند. این پژوهش گران میکروسکوپی ساخته اند که رکورد کوچک ترین اشیایی را که با چشم می توان دید، شکسته است و بر محدودیت تئوری میکروسکوپ های نوری غلبه کرده است.

تا قبل از این با میکروسکوپ نوری استاندارد فقط می توانستید اشیایی با اندازه های در حد یک میکرومتر را به وضوح ببینید اما اکنون پژوهشگران دانشگاه منچستر با ترکیب یک میکروسکوپ نوری با یک میکرو کره شفاف بنام نانوسکوپ میکروکره ای، می توانند اشیایی با اندازه هایی 20 برابر کوچک تر (50 نانومتر) را با نور طبیعی ببینند این دقت مافوق حد تئوری میکروسکوپ نوری است.رسیدن به این دقت بالای میکروسکوپ نوری بدین معنی است که این دانشمندان به طور بالقوه می توانند داخل سلول های بشری و ویروس های زنده را بررسی کنند و برای اولین بار آنچه که سبب این ویروس ها می شوند، را مشاهده کنند.

میکروسکوپ های کنونی که قابلیت بررسی اجسام ریز این چنینی را دارند، میکروسکوپ های الکترونی هستند که با آن ها بجای بررسی ساختار یک سلول فقط می توان سطح آن را مشاهده کرد و هیچ ابزاری وجود ندارد که بتوان با آن یک سلول زنده را مشاهده کرد.

این دانشمندان اکنون باور دارند که آن ها می توانند این میکروسکوپ را برای شناسایی تصاویر بسیار ریزتر در آینده استفاده کنند. از نظر تئوری در اندازه اشیایی که می توان با این روش جدید مشاهده کرد، هیچ محدودیتی وجود ندارد.این سیستم نانو تصویربرداری جدید بر گرفتن تصاویر مجازی میدان- نزدیک نوری ( که عاری از تفرق نوری هستند) و تقویت آن ها با استفاده از یک میکروکره استوار است. این میکروکره، ذره کروی ریزی است که به وسیله یک میکروسکوپ نوری استاندارد برزگ نمایی می شود.

این پژوهش گران جزییات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی Nature Communications منتشر کرده اند. 

نانو ذرات افق‌ تازه ای را جهت پیشگیری از سرطان و درمان آن به روی محققان گشوده است، بطوریکه در این راستا شاخه جدیدی تحت عنوان درمان مبتنی بر نانو ذرات (nanoparticles-based therapy) پدید آمده است. این ذرات نانویی که در اشکال مختلف ساخته می شوند و در حوزه تحقیقات پزشکی علی الخصوص تحقیقات سرطان بسیار مورد توجه و کاربرد هستند. نانو ذرات در موارد مختلفی مثل رساندن دارو به سلول های تومور سرطانی، بیرون کشیدن عامل سرطانی از سلول زنده، حمله به سلول های سرطانی، بالا بردن حساسیت سلول‌های سرطانی برای تصویربرداری و مشاهده دقیقتر آنها کاربرد دارند.

بر اساس آخرین اخبار منتشره از گروه نانو تکنولوژی موسسه ملی سرطان در آمریکا، به تازگی محققان دانشگاه Emory آتلانتا با کمک نانو ذرات چند منظوره (multifunctional) امکانی را برای تشخیص به موقع سرطان لوزالمعده یا پانکراس فراهم کردند. این در حالیست که سرطان لوزالعمده از جمله سرطان‌هایی است که اگر در مراحل پیشرفته (advanced stages) تشخیص داده شود معمولاً راه درمانی وجود ندارد و جراحی و شیمی درمانی کارساز نیستند (لازم به ذکر است که به مرحله یا سطح بیماری سرطان در اصطلاح stage گفته می‌شود).

کاربرد نانو ذرات در عمل

در این شیوه با چسبیدن نانو ذرات اکسید آهن به سلول سرطانی این سلول به راحتی توسط MRI قابل تشخیص و مشاهده است. با آزمایش موش‌هایی که غده سرطانی درون بدنشان کاشته شده بود معلوم گردید که می توان با دوربین‌های خاصی این نانو ذرات را که طیف رنگی نزدیک به مادون قرمز داشتند مشاهده کرد.

دکتر نی (Dr. Nie) از این تیم تحقیق معتقد است که این روش توانایی نانو ذرات را در تشخیص به موقع سرطان به اثبات می رساند و امید تازه ای در یافتن راه درمان تومورهای سرطانی به شمار می رود. وی همچنین بیان می کند که این نانو ذرات می توانند برای شناسایی و محل یابی دقیق تومور پیش از جراحی، شناسایی حاشیه خطر اطراف تومور و پیگیری پاسخ به درمان بیمار پس از جراحی مورد استفاده قرار گیرند. به منظور درک بهتر این فناوری بد نیست بدانید که این ذرات اکسید آهن دارای هسته ای هستند که فقط 10 نانومتر قطر دارد و دارای روکشی از پلیمر هستند. مولکولی که قدرت تشخیص بین سلولهای سرطانی لوزالمعده و سلولهای سالم آن را دارد یک پروتئین کوچک ایجاد شده توسط مهندسی ژنتیک است که بر مبنای پروتئینی که در بدن انسان است، طراحی شده است.

از سویی دیگر، دانشمندان آمریکایی موفق به ساخت و استفاده از نوعی نانو زنبور( nanobee) برای مقابله با تومورهای سرطانی شدند. در آزمایشی که به روی تومورهای سرطانی سینه و پوست در موش‌ها انجام شد این نانو زنبورها تومورهای سرطانی را نیش زده و سم خود را وارد سلول می کنند.

این نانو‌زنبورها به گونه ای طراحی شده اند که فقط سلول‌های سرطانی را هدف قرار می‌دهند و وارد آنها می شودند. به دلیل ساختار و اندازه بسیار کوچک این نانو ‌زنبورها، این ذرات از سوی گلبول‌های سفید به عنوان عامل مهاجم شناخته نشده و به آنها حمله نمی‌شود و این چیزیست که محققان به دنبال آن هستند؛ یعنی روشی که در طی آن فقط سلولهای سرطانی مورد حمله قرار گیرند و نابود شوند.

نانو زنبورها یکی از آخرین دستاوردهای علمی استفاده از فناوری نانو برای مقابله با بیماری‌ها و درمان آنها می‌باشد و محققان امید دارند ظرف چند سال آینده بطور گسترده ای مورد استفاده قرار گیرند.

از نانو‌ ذرات برای حمل دارو به درون سلول‌های سرطانی نیز استفاده می شود اما به دلیل اندازه بسیار ریز این ذرات، هر بار فقط میزان اندکی دارو را می توانند حمل کنند بنابراین لازم است تا میلیونها یا حتی میلیاردها از این ذرات برای انتقال دارو به محل دقیق سرطان مورد استفاده قرار گیرند و به این ترتیب مشکل رسیدن داروی ضد سرطان به محل مورد نظر برطرف می شود بدون آنکه سلولهای سالم تحت تأثیر قرار گیرند.

اخیراً با کاربرد طلا در نانو ذرات و ساخت نانو ذرات طلا (gold nanoparticles) موفق شده اند که شناسایی سلول‌های سرطانی را بطور زود هنگام انجام دهند. همچنین حسگری از نانو ذرات طلا ساخته شده که قادر است سرطان ریه را از طریق بازدم بیمار شناسایی نمایید که در حال حاضر دقت این دستگاه که به روی گروهی از افراد سالم و افراد مبتلا به سرطان آزمایش شده است 86 درصد می باشد.

درمان سرطان با استفاده از نانوذرات پلیمری

دانشمندان آمریکایی توانسته‌اند با استفاده از نانوذرات رهاکننده دارو، گامی جدید به سوی مبارزه با عود مجدد سرطان ریه بردارند. نانوذرات پلیمری آنها که بدون نشت هستند، تنها زمانی باز شده و محتوای خود را خالی می‌کنند که در محیط اسیدی درون سلول قرار بگیرند. این محققان نانوذرات تولیدی خود را درون بدن موجود زنده نیز آزمایش کرده‌اند.

این تیم میان‌رشته‌ای، نانوذراتی برای حمل داروی ضدسرطان پاکلیتکسل طراحی نموده و کارایی آنها را روی موش بررسی نموده‌اند. رفتار این نانوذرات با ورود به درون سلول از آبگریز به آبدوست تغییر یافته و این امر موجب رهایش دارو می‌شود.

گرینستاف از دانشگاه بوستون و رهبر این گروه پژوهشی می‌گوید: «چیزی که این نانوذرات را منحصر به فرد ساخته و آنها را از نانوذرات دیگر متمایز می‌کند این است که با ورود آنها به محیط اسیدی ملایم (pH=4 که در اندوزوم وجود دارد)، این نانوذرات متورم شده، آب را به درون خود کشیده و دارو را رها می‌کنند». او می‌افزاید این نانوذرات از 100 نانومتر به بیش از 1000 نانومتر انبساط یافته و به ساختاری بسیار شل شبیه پلیمر هیدروژلی تبدیل می شوند.

او ادامه می‌دهد: “نکته منحصر به فرد دیگر درباره این نانوذرات این است که دارو واقعاً در پاسخ به pH محیط رها می‌شود. بسیاری از سیستم‌های رهایش دارو نشت دارند”.

کنت سوسلیک از دانشگاه ایلینویز و متخصص نانوذرات می‌گوید: "این یک کاربرد بسیار جالب است و استفاده از تورم کنترل شده مواد پلیمری در پاسخ به pH محیط برای رهایش دارو یک ابتکار زیرکانه است. تا جایی که می‌دانم این اولین بار است که چنین کاری صورت می‌گیرد".

سرطان ریه سالانه 3/1 میلیون نفر را در سراسر جهان می‌کشد. گرینستاف می‌گوید پس از خارج کردن تومور از بدن با استفاده از جراحی، به دلیل وجود سلول‌های سرطانی باقیمانده در محل جراحی، 30 درصد احتمال بازگشت سرطان در عرض 5 سال وجود دارد. وی انتظار دارد درست پس از خارج کردن تومور از داخل بدن، این نانوذرات در محل تومور مورد استفاده قرار بگیرند.

این گروه تحقیقاتی توانستند با استفاده از مدل موش نشان دهند که تأثیر نانوذرات حاوی پاکلیتکسل از داروی خالص بیشتر است. گرینستاف می‌گوید هدف اصلی در سال 2009 انجام آزمایش‌های کامل سم‌شناسی روی پلیمر و سپس مطالعات ایمنی روی حیوانات بزرگ‌تر است.

مقاوم شدن در برابر داروهای شیمی‌درمانی دلیل شکست خوردن 90 درصد از سرطان‌های جابه‌جا شونده (متاستاز) است.غلبه بر این مشکل می‌تواند درمان سرطان را بهبود بخشد.

استفاده از نانوالماس در درمان سرطان

دین هو، استادیار مهندسی زیست‌پزشکی و مهندسی مکانیک در دانشگاه نورث وسترن بر این باور است که می‌توان از ذرات کوچک کربن که نانوالماس نامیده می‌شوند، به‌عنوان حامل‌های رسانشی موثر در درمان سرطان‌های مقاوم استفاده کرد.

هو و همکارانش در آزمایش‌های درون‌تنی که روی سرطان کبد و سینه انجام دادند، دریافتند که اگر دُزی از داروی شیمی‌درمانی را که در حالت عادی کشنده است، به این نانوالماس‌ها متصل نماییم، می‌تواند اندازه تومور را در موش‌ها تا حد زیادی کاهش دهد. در این حالت شانس زنده ماندن موجودات مبتلا افزایش یافته و هیچ اثر جانبی نامطلوبی روی بافت‌های دیگر مشاهده نمی‌شود.

این اولین باری است که از نانوالماس‌ها در درمان سرطان‌های مقاوم به دارو استفاده می‌شود. هو می‌گوید: “ما به این دلیل سرطان‌های مقاوم در برابر داروهای شیمی‌درمانی را برگزیدیم که این نوع از تومورها همچنان به‌عنوان یکی از مشکلات اصلی درمان سرطان محسوب شده و شانس زنده ماندن بیماران را کاهش می‌دهند”.

نانوالماس‌ها مواد مبتنی بر کربن با قطر بین 2 تا 8 نانومتر هستند. سطح هر نانوالماس حاوی گروه‌های عاملی مختلفی است که امکان اتصال ترکیبات مختلفی همچون داروهای شیمی‌درمانی را فراهم می‌آورد.

این پژوهشگران نانوالماس را برداشته و با استفاده از یک فرایند سنتزی مقیاس‌پذیر، داروی شیمی‌درمانی دوکسوروبیسین را به شکلی برگشت‌پذیر به سطح آن متصل نمودند. این امر رهایش پایدار این دارو را امکان‌پذیر می‌سازد.

هو و همکارانش از موش‌های مبتلا به سرطان کبد و سینه در تحقیقات خود استفاده کردند. در این سرطان‌های مقاوم دارو می‌تواند وارد تومور شود، اما به دلیل پاسخ ذاتی کبد و سینه بلافاصله از درون این بافت‌ها بیرون انداخته می‌شود.

آنها یک گروه از موش‌ها را با کمپلکس نانوالماس- دوکسوروبیسین و گروه دیگر را با داروی تنها تحت درمان قرار دادند. زمان باقی ماندن دارو در جریان گردش خون در موش‌هایی که با کمپلکس‌های نانوالماسی درمان شدند، 10 برابر بیشتر از موش‌هایی بود که با داروی تنها تحت درمان قرار گرفتند. به‌علاوه، زمان باقی ماندن دارو درون هر دو نوع تومور نیزافزایش قابل ملاحظه‌ای پیدا کرد. این مدت زمان طولانی ماندن دارو درون تومور بدین معناست که می‌توان از دُز پایین‌تری از دارو استفاده کرد و در نتیجه اثرات جانبی نامطلوب کاهش می‌یابد.

این محققان همچنین دریافتند که استفاده از کمپلکس‌های نانوالماسی موجب کاهش تعداد گلبول‌های سفید خون نمی‌شود که این امر در درمان سرطان بسیار مهم است.

*جزئیات این کار در مجله Science Translational Medicine منتشر شده است. 

به نقل از : Tebyan.net