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. 

تولید بافت ماهیچه با استفاده از موهای نانومقیاس

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.

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.

نانوذرات ،مرهم زخم را در برابر عرق مقاوم می کنند

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.

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.

باتری جدید از اختلاف شوری آب، برق تولید می‌کند

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.

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.

 نانو کامپوزیت جدید عملکرد باتری ها را بهبود می دهد

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.

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.

نسل جدیدی از باتری ها با کمک نانوماده جدید

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.

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.

ساخت اولین نانوپردازنده های قابل برنامه ریزی جهان

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.

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 در درمان سرطان

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.

کاربرد نانو ذرات در عمل

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).

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.

استفاده از نانوالماس در درمان سرطان

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.

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 گفته Andro von eschenbach، سرپرست انستیتو ملی سرطان، فناوری‌نانو، دانش مربوط به مقیاس‌های کوچک، در حال جذب بزرگ‌ترین دانشمندان از سراسر دنیا در زمینه‌های گوناگون علمی و مهندسی می‌باشد و هدف آن معطوف و هماهنگ کردن استعدادها و ذهن آنها بر روی حل مسائل و مشکلاتی است که بر سر راه تحقیقات در مورد تجهیزات درمان بالینی وجود دارد. به عقیده وی، نانومواد و نانوابزارها نقشی بی‌نظیر و حیاتی را در تبدیل دانش به پیشرفت‌های مفید بالینی در زمینه تشخیص و درمان سلول‌های سرطانی ایفا می‌‌کنند، کاری که با انجام آن روند تشخیص و درمان و نهایتاَ پیشگیری از سرطان کاملاَ متحول خواهد شد.مثالی که می‌تواند به منظور درک بیشتر پتانسیل وسیع فناوری‌نانو در زمینه تغییر روش‌های تشخیص و درمان سرطان به کار رود استفاده از نانو‌ذرات می‌باشد.

استفاده از نقاط کوانتومی در تشخیص و درمان سرطان

استفاده از نقاط کوانتومی به عنوان ابزارهای جدید تشخیص سرطان در مراحل اولیه، بسیار نوید‌بخش بوده است، اما وجود نگرانی‌ها درباره اثرات سمی این ذرات روی بدن، توسعه بالینی آنها را محدود کرده است. محققان دانشگاه بوفالو روش جدیدی برای ساخت نقاط کوانتومی توسعه داده‌اند که شاید بتواند این محدودیت را از بین ببرد. این کشف آنها درست سر موقع اتفاق افتاده است، زیرا گروهی دیگر از محققان در دانشگاه تگزاس واقع در آرلینگتون (UTA) نشان داده‌اند که نقاط کوانتومی می‌توانند به عنوان دماسنج‌های نانومقیاس عمل کرده و درمان‌های حرارتی مختلف مبتنی بر نانوذرات را که برای درمان سرطان توسعه یافته‌اند، راهنمایی کنند.

دکتر پاراس پراساد از دانشگاه بوفالو روی روش‌های مختلف تولید نقاط کوانتومی جدید کار کرده است. آخرین کار وی که در مجله Small منتشر شده است، منجر به تولید نقاط کوانتومی زیست‌سازگاری شده که تا بیش از سه ماه پس از تزریق هیچ اثر سمیتی از خود نشان نمی‌دهند. این نقاط کوانتومی دارای یک هسته از جنس سولفید کادمیوم هستند که با لایه نازکی از کادمیوم، سلنیوم و تلوریوم پوشانده شده‌اند. آنها نقاط تولید شده را با یک لایه زبر از یک ماده آبگریز روکش‌دهی کرده و بدین ترتیب از نشت این فلزات سمی به درون بدن جلوگیری نمودند. این روکش همچنین دارای گروه‌های شیمیایی است که می‌توان عوامل هدفگیر یا داروها را به آنها متصل کرد.

دکتر پراساد و همکارانش توانستند پس از تزریق این ذرات بسیار درخشنده به بدن موش، با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز نزدیک از آنها تصویربرداری کرده و محل تجمع آنها را درون بدن تشخیص دهند. بر خلاف نقاط کوانتومی معمول، احتمال تجمع این ذرات روکش‌دهی شده در کبد و طحال پایین است. مطالعه بافت‌های جداشده از بدن موش 100 روز پس از تزریق نشان داد که هیچ گونه آسیب ناشی از تجمع نقاط کوانتومی در آنها دیده نمی‌شود. این پژوهشگران همچنین گزارش نموده‌اند موش‌هایی که تزریق روی آنها صورت گرفته بود، در طول دوره مطالعه رفتار عادی از خود نشان می‌دادند.

در همین حال، دکتر بوسمو هان از UTA در مقاله منتشر شده درAnnals of Biomedical Engineering گزارش کرده‌ که توانسته است از نقاط کوانتومی تلورید کادمیوم/سولفید روی به عنوان دماسنج‌های نانومقیاسی که می‌توانند تغییرات دمای موضعی را به صورت بلادرنگ تشخیص دهند، استفاده کند. هدف از انجام این کار ایجاد یک ابزار تشخیصی است که تومورشناسان را قادر می‌سازد رسیدن به دمای مناسب برای کشتن سلول‌ها در فرایند حرارت‌درمانی را تشخیص دهند.

ترکیب این دو کار پژوهشی می‌تواند برای تشخیص و درمان کاراتر سرطان در آینده نویدبخش باشد.

استفاده از نانوذرات مغناطیسی در درمان سرطان

افزایش دمای بافت‌های بدن انسان تا بیش از 5 درجه سیلسیوس می ‌تواند تمام فعالیت‌های عادی سلولی را متوقف و منجر به مرگ سلول‌ها شود که به این روش، درمان انهدام حرارتی می‌گویند. چندین گروه از محققان در حال گسترش نانوذرات و نانولوله‌های کربنی به عنوان گرم‌کننده‌‌های نانومقیاس برای استفاده در درمان سرطان هستند و نشان داده‌اند استفاده از نانوذرات مغناطیسی و گرم کردن آنها با اعمال میدان مغناطیسی متناوب می‌تواند در انهدام تومورها مفید واقع شود.

گروهی از محققان از موسسة Triton Biosystem و دانشگاه کالیفرنیا نشان دادند که ذرات مغناطیسی اکسیدآهن که به یک پادتن متصل می‌شوند، قادرند مولکول‌های سرطانی را تشخیص داده، از جریان خون خارج و به سلول‌های تومور هدف، متصل شوند. این محققان از یک پادتن نشان‌دار با عنصر رادیواکتیو ایندیم– III استفاده کردند و توانستند اتصال این ذرات به سلول‌های سرطانی سین? موش را تشخیص دهند.

توانایی ردیابی این نانوذرات، پژوهشگران را قادر می‌سازد تا زمان بهینه شروع درمان حرارتی را تعیین کنند. اعمال میدان مغناطیسی متناوب در این زمان منجر به کاهش چشمگیر اندازة تومور می‌شود.همچنین این محققان در مقاله دیگری نشان دادند که می‌توانند برای گرم کردن نانوذرات جهت انهدام سلول‌‌های سرطانی جانواران بدون آسیب به سلول‌های سالم، از میدان‌های مغناطیسی متناوب با دامنة بالا استفاده کند. اساس استفاده از این میدان‌ها پالسی‌کردن میدان‌ها با فرکانس مناسب است، به گونه‌ای که بافت‌هایی که نانوذرات در آنها تجمع نکرده‌اند گرم نشوند. با استفاده از میدان مغناطیسی پالسی هیچ گونه عوارض جانبی درموش‌های آزمایشی مشاهده نشد.

پس از انجام این آزمایشات، دانشمندان شرکت Triton ‌به استفاده از پادتن anti-Ep-CAM روی آوردند و توانستند فرآیند ساخت نانوذرات مغناطیسی را بهبود داده و ذراتی تولید کنند که هفت برابر بیشتر از نانوذرات قبلی گرما تولید ‌کنند. این شرکت شروع آزمایشات بالینی بر روی انسان را با استفاده از نانوذرات مغناطیسی متصل به پادتن anti-Ep-CAM؛ درسال 2006 تخمین زد.

این کار مطالعاتی در دو مقاله با عناوین

"Development of tumor targeting bioprobes (¹¹¹In-chimeric L6 monoclonal Antibody nanoparticles) for alternating magnetic field Cancer therapy,"

"Application of high amplitude alternating magnetic fields for Heat induction of nanoparticles localized in cancer."

به تفصیل شرح داده شده است.

استفاده از نانولوله‌های کربنی در حرارت‌درمانی سرطان

گروهی از محققان مرکز پزشکی Baptist در دانشگاه Wake Forest روشی برای درمان سرطان با استفاده از نور لیزر یافته‌اند. در این روش نور لیزر نانوذرات را گرم کرده و حرارت ایجاد شده تومور را از بین می‌برد. آنها برای این کار از نانولوله‌های کربنی چنددیواره حاوی آهن استفاده کرده‌اند.

این گروه تحقیقاتی در بررسی‌های آزمایشگاهی خود نشان داده‌اند که می‌توانند با استفاده از یک روبشگر MRI، از این نانوذرات درون بافت‌های زنده تصویربرداری کرده و رسیدن آنها به تومور و از بین بردن تومور را تماشا کنند.

با وجودی که این کار بیشتر شبیه داستان‌های علمی-تخیلی است، اما کاملاً کاربردی و عملی است. این کار بر یکی از روش‌های درمان سرطان به نام حرارت‌درمانی القاشده توسط لیزر (LITT) استوار است که از نور لیزر برای گرم کردن و از بین بردن تومورها بهره می‌برد. LITT بر این واقعیت استوار است که برخی ذرات همچون نانولوله‌های کربنی چنددیواره می‌توانند انرژی لیزر را جذب کرده و آن را به گرما تبدیل کنند. اگر این نانوذرات درون تومور گرم شوند، تومور را سوزانده و از بین می‌برند.

با این حال مشکل LITT این است که با وجودی که امکان مشاهده تومور در روبش‌های پزشکی وجود دارد، نانوذرات در این روبش‌ها دیده نمی‌شوند. اگر نانوذرات را درون بدن بیمار تزریق نماییم، امکان ردگیری آنها وجود ندارد و این امر می‌تواند برای بیمار خطرناک باشد. زیرا اگر این ذرات درون بافت‌های سالم تجمع نمایند، گرم کردن آنها می‌تواند به از بین رفتن این بافت‌ها بیانجامد.

حال محققان دانشگاه Wake Forest برای اولین بار نشان داده‌اند که می‌توان نانوذراتِ قابل مشاهده در MRI تولید نموده و بدین ترتیب تصویربرداری و گرم کردن تومور را به طور همزمان انجام داد. با پُر کردن نانولوله‌های کربنی چنددیواره با آهن می‌توان آنها را با روبشگر MRI مشاهده کرد. آنها با استفاده از بافت‌های حاوی تومور موش نشان دادند که این نانولوله‌های حاوی آهن می‌توانند با بهره‌گیری از تابش لیزر تومورها را از بین ببرند.

ژوآن فنگ دینگ، یکی از پژوهشگران این کار می‌گوید: «یافتن محل دقیق نانوذرات در بدن انسان برای درمان بسیار مهم است. دیدن اینکه تومورهای نشان‌دار شده با نانولوله‌ها بعد از درمان کوچک‌تر شده‌اند، بسیار هیجان‌انگیز است».

اگر ثابت شود که این روش مفید است، شاید روزی به درمان بیماران سرطانی کمک کند، اما قبل از آن باید کارایی این روش در بررسی‌های بالینی به اثبات برسد.

نتایج این تحقیق در پنجاه و دومین همایش سالانه American Association of Physicists in Medicine در فیلادلفیا ارائه شده است.

تراشه ‌های حافظه ‌ای بهتر، در نتیجه یک کشف بنیادی

پژوهشگران مهندسی از دانشگاه میشیگان راهی برای بهبود عملکرد مواد فروالکتریک یافته ‌اند که دارای قابلیت ساخت افزاره‌ های حافظه‌ ای با ظرفیت ذخیره بیشتر نسبت به حافظه‌ های مغناطیسی سخت و نیز سرعت نوشتاری سریع ‌تر و طول عمر بلندتر نسبت به حافظه‌ های فلش، است.

در حافظه ‌های فروالکتریک جهت قطبش الکتریکی مولکول ‌ها در نقش بیت 0 و 1 بکار می ‌رود. از یک میدان الکتریکی برای تغییر قطبش استفاده می ‌شود، که همان نحوه ذخیره داده است.

ژاکنیگ پان و همکارانش از دانشگاه کرنل، دانشگاه ایالت پن، و دانشگاه ویسکونزین، مادیسون، ماده ‌ای طراحی کرده‌ اند که بطور خود به خود تشکیل مارپیچ ‌های نانو اندازه ای کوچک از قطبش الکتریکی در بازه ‌های قابل کنترل می ‌دهد. این مارپیچ ‌ها می ‌توانند در نقش جایگاه ‌های طبیعی رویش برای سوئیچ قطبش ظاهر شوند و توان مصرفی مورد نیاز برای تغییر هر بیت را کاهش دهند.

این پژوهشگران برای اولین بار توانستند از قطبش مربوط به یک ماده با لبه تیز جهت تراشه‌های حافظه‌ای، در مقیاس اتمی نقشه‌برداری کنند

پان گفت: <<برای تغییر حالت یک حافظه فروالکتریکی شما مجبور هستید که میدان الکتریکی مورد نیاز برای سوئیچ قطبش در یک ناحیه کوچک را تأمین کنید. با ماده ما، دیگر نیازی به چنین عامل   نیست. جایگاه‌ های هسته ‌زایی به طور ذاتی در فصل‌ مشترک این ماده وجود دارند.

برای انجام این کار، مهندسان مذکور لایه ‌ای از ماده فروالکتریک را روی عایقی که دارای شبکه‌ های بلوری مشابه بود، قرار دادند. قطبش باعث برقراری میدان‌ های الکتریکی قوی در سطح فروالکتریک می‌ شود که مسئول شکل‌ گیری خود به خود جایگاه ‌های رویش به نام «نانو حوزه‌ های گردابی» هستند.

این پژوهشگران همچنین توانستند از قطبش این ماده با دقت اتمی نقشه‌ برداری کنند که با توجه به کوچکی مقیاس کار خیلی مشکلی بود. آنها از تصاویر گرفته شده از میکروسکوپ عبور الکترونی با قدرت تفکیک زیر آنگسترومی واقع در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، استفاده کردند. آنها همچنین یک نرم ‌افزار پردازش تصویر برای انجام این کار تهیه کردند.

این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ‌ی Nano Letters به چاپ رساندند.

ساخت تراشه حافظه مولکولی چگال به کمک فناوری‌نانو

محققان اعلام کرده‌اند که مدار حافظه جدیدی با استفاده از مولکول‌ها و سیم‌های نانومتری ساخته‌اند. این تراشه‌ها به اندازه‌ای که سازندگان تراشه برای تراشه‌های مورد نیاز در سال 2020 انتظار دارند، چگال می‌باشند. این مدار، صفرها و یک‌ها را از طریق کلیدزنی خوشه‌های مولکولی بین دو حالت، ذخیره می‌کند. این مدار، شامل 160000 بیت بوده که با چگالی 1011 بیت بر سانتیمتر مربع به هم فشرده شده‌اند. این تراشه‌ها حداقل 10 مرتبه از ریز تراشه‌های (micro Chip )موجود چگال‌تر می‌باشند.

برای ساخت چنین تراشه‌هایی، ضروری است که سازندگان تراشه به نحوه به کارگیری موادی غیر از سیلیکون مسلط شوند. این مسئله یک چالش بزرگ در فناوری محاسباتی (computing technology) است. اما مدارهای الکترونیکی‌ای که تاکنون ساخته شده‌اند، با استفاده از فناوری‌نانو کوچکتر می‌شوند.

هم اکنون محققان در حال بررسی سیستم‌های الکترونیکی نانومتری می‌باشند زیرا در حین افزایش چگالی به منظور رفتن به پنتیوم‌هایی با شماره بالاتر، همیشه نمی‌توان مدارهای سیلیکونی ساخته شده با سیم‌ها را فشرده‌تر ساخت. زیرا در صورت فشردگی بیش از حد و نزدیک شدن بیش از اندازه سیم‌ها به هم، الکترونها در بین سیم‌ها تبادل می‌شوند. این مسئله یک محدودیت فیزیکی برای چاپ مدارهای سیلیکونی به وجود می‌آورد.

ساخت یک مدار حافظه مجتمع بسیار چگال با استفاده از نانوسیم‌ها و مولکول‌ها

این گروه تحقیقاتی دو راهکار الکترونیک مولکولی (ترانزیستورهای ساخته شده از مولکول) و کراس بارهای (cross bar نانوسیمی که سیم‌های بسیار نازک متقاطع عمود بر هم می‌باشند را با هم ادغام کرد. برای ساخت ابزار مذکور، این گروه یک دسته 400 تایی از سیم‌های سیلیکونی که بسیار به هم فشرده شده بودند (تنها 33 نانومتر از همدیگر فاصله داشتند) را در مکان مخصوص خود نشاندند. سپس آنها را با یک لایه از مولکول‌های [2]rotaxane دمبل شکل، پوشش دادند. پس از آن، با پوشش دادن این لایه مولکولی با 400 سیم پلاتینی، یک شبکه متقاطع از سیم‌ها را ایجاد نمودند. به این ترتیب گروه‌هایی از مولکول‌ها که بین دو لایه از سیم‌های متقاطع قرار گرفته بودند، ساخته شدند. هر کدام از این گروه‌ها بین یک گره ( Node )که از تقاطع دو سیم پلاتینی و سیلیکونی تشکیل می‌شد، قرار می‌گرفتند.

محققان برای کلیدزنی بین 0 و 1 یک ولتاژ مشخص به دو سر یک گروه مولکول در یک گره، اعمال کردند. این ولتاژ عمل کلیدزنی مولکول‌ها بین دو حالت را انجام می‌داد. هر مولکول [2]rotaxane در اطراف دسته دمبل دارای یک حلقه بود، ولتاژ اعمالی به مولکول‌ها باعث بالا و پایین رفتن حلقه می‌گردید و به این ترتیب رسانایی الکتریکی مولکول تغییر می‌یافت.

سیم‌های مذکور آنقدر به هم نزدیک بودند که این گروه نمی‌توانست الکترودهایی را برای اعمال ولتاژ به دو سیم منفرد (زیرا در هر گره تنها دو سیم وجود دارند) طراحی کند. به همین دلیل، این گروه عمل کلیدزنی را همزمان برای نه گره انجام دادند.

یکی از این محققان می‌گوید: "اتصالات مورد استفاده در این روش پس از حدود 10 بار کلیدزنی، شکسته و قطع می‌گردند. این مسئله نشان می‌دهد که هنوز در این زمینه کارهای زیادی باید انجام شود. علاوه بر این، این ملکول‌ها پس از حدود یک ساعت به حالت قبل از کلیدزنی بر می‌گردند و این ناپایداری برای ابزارهای حافظه یک مشکل محسوب می‌گردد. حافظه‌های فلش (flash) تجاری برای بیشتر از یک سال پایدار می‌باشند".

علاوه بر مشکلات مذکور عمل کلیدزنی بین حالت‌ها برای این مولکول‌های کند می‌باشد. وی می‌افزاید: "گرچه می‌توان این زمان را کم کرد اما سرعت مدار‌های حافظه‌ای از این دست تنها با کلیدزنی یک مولکول تعیین نمی شود و تعداد زیادی از اتصالات به طور همزمان در آن تأثیر می‌گذارند. به همین دلیل سرعت این مدار یک دردسر بزرگ است. گرچه نمونه ساخته شده یک نمونه آزمایشگاهی خوب است اما برای رفتن به دنیای واقعی کارهای زیادی باید انجام شود".

نتایج این تحقیق در مجله Nature به چاپ رسیده است.

سلول حافظه‌ای کوچک با نانو روبان گرافنی

سلول حافظه‌ای جدید که از نانو روبان‌های گرافنی بسیار نازک ساخته شده است، توسط پژوهشگرانی از آلمان، سوئیس و ایتالیا پرده‌برداری شد.

یکی از مزایای مهم این سلول جدید آن است که می‌توان بسیار کوچک‌تر از سلول متداول سیلیکونی ساخته و به همین خاطر، منجر به تراشه‌های حافظه‌ای شود که چگالی ذخیره‌سازی بسیار بالایی نسبت به افزاره‌های سیلکونی دارند.

رومان سوردان از پلی تکنیک میلان و همکارانش با استفاده از نانوروبان‌های گرافنی یک سلول حافظه‌ای 10 نانومتری ساخته‌اند. در حقیقت، مساحت این سلول حافظه‌ای جدید آنقدر کوچک است که اجازه ذخیره‌سازی با چگالی بسیار بالا را می‌دهد.

این گروه تحقیقاتی نانوروبان‌های گرافنی خود را با رسوب نانو الیاف V2O5 بر روی گرافن و کنده‌کاری آن با باریکه یونی آ‌رگون تهیه کردند. این باریکه یونی هر گرافنی را که با این نانو الیاف محافظت نشده باشد، از جا می‌کند.

این روش ساده می‌تواند نانو روبان‌های گرافنی در زیر این نانو الیاف ایجاد کند، که در ادامه برداشته می‌شوند. مزیت استفاده از این نانو الیاف به عنوان ماسک کنده‌کاری در آ‌ن است که می‌تواند منجر به تولید نانو روبان‌های بسیار باریکی به پهنای کمتر از 20 نانومتر شود. یکی دیگر از مزایای نانوالیاف V2O5 در آن است که بعد از تشکیل نانوروبان‌ها می‌توانند براحتی زدوده شوند.

سوردان گفت: کافی است که شما نمونه را با آب بشورید که یک فرآیند بسیار ساده و دوست‌دار محیط زیست است.

این پژوهشگران پی بردند که با اعمال پالس‌های ولتاژ درگاهی با علامت‌های مخالف می‌توانند این افزاره را بین حالت‌های روشن (بیت 1) و خاموش (بیت 0) دیجیتالی سوئیچ کنند. همین که این افزاره سوئیچ می‌شود‌، ‌می‌تواند در این حالت جدید بماند؛ حتی اگر ولتاژ درگاه صفر شود ؛ یعنی می‌تواند حالت خود را « به یاد داشته باشد ».

این پژوهشگران جزئیات نتایج پژوهش خود را در مجله‌ی Small منتشر کرده‌اند.

ارائه روشی برای تولید پیل‌های خورشیدی نازک‌تر، سبک‌تر و ارزان‌تر

براندون مک دونالد با همکاری گروه‌هایی از مرکز CSIRO و دانشگاه ملبورن استرالیا موفق به ساخت پیل خورشیدی بسیار نازکی شدند که قابل چاپ و انعطاف‌پذیر بوده و همچنین می‌تواند هزینه انرژی تجدیدپذیر را به شدت کاهش دهد.

در این فناوری که به‌صورت پتنت ثبت شده است، از جوهرهای حاوی نانوبلورهای نیمه‌هادی بسیار کوچک استفاده شده است. این جوهرها می‌توانند مستقیما روی سطوح مختلف بنشینند. اگر ترکیب مناسبی از جوهر و سطح انتخاب شود آنگاه می‌توان پیل‌های خورشیدی کارا با استفاده از هزینه بسیار کم تولید کرد.

براندون مک دونالد می‌گوید: مشکل پیل‌های خورشیدی رایج این است که برای تولید آنها نیاز به انرژی و فرآیندهای پیچیده‌ای است که در نهایت تولید آنها را بسیار پر زحمت می‌کند. اما با استفاده از این جوهرهای نانوبلوری می‌توان یک روش مستمر را برای تولید پیل خورشیدی ارائه کرد. در چنین روشی خروجی تولید بسیار بالا بوده در حالی که هزینه تولید پیل خورشیدی به شدت کاهش خواهد یافت.

نانوبلورها، که نقاط کوانتومی شهرت دارند، ذرات نیمه‌هادی هستند که دارای قطری بین چند میلیونیوم تا چند میلیمتر هستند. از آنجایی که ابعاد این ذرات بسیار کوچک است بنابراین می‌توانند درون محلول به‌صورت معلق باقی بمانند.

این محلول را می‌توان روی مواد مختلف نظیر پلاستیک‌ها یا فویل‌های فلزی نشست داد و سپس آنها را خشک کرده و به‌صورت فیلم نازک در می‌آورند.

براندون مک دونالد و همکارانش دریافتند که با استفاده از لایه نشانی به‌صورت چند لایه توسط نانوبلورها، آنها قادر خواهند بود که هرگونه آسیب بوجود آمده روی لایه‌ها که در طی فرآیند خشک کردن ایجاد می‌شود را پر کنند. نتیجه کار، یک فیلم متراکم و یکنواخت است که برای پیل‌های خورشیدی سبک ایده‌آل است.

این نانوبلورها دارای مواد نیمه‌هادی موسوم به تلورید کادمیوم است که جاذب بسیار خوبی برای نور است. در واقع نتیجه کار پیل‌هایی بسیار نازک خواهد بود. کل مواد مصرفی برای تولید این پیل خورشیدی یک درصد آن چیزی است که برای تولید پیل‌های خورشیدی رایج استفاده می‌شود.

در مقایسه با پیل‌های خورشیدی  دیگر، این پیل‌ها بسیار نازک ‌تر بوده و تقریبا یک دهم آنها ضخامت دارند. از این فناوری نه تنها در پیل‌های خورشیدی استفاده می‌شود بلکه در دیگر ادوات الکترونیکی قابل چاپ مانند دیودهای نشر نور، لیزرها و ترانزیستورها استفاده می‌شود

نانومخروط‌ ها راندمان پیل خورشیدی را افزایش می‌دهند

یک گروه تحقیقاتی به رهبری جان زو از آزمایشگاه ملی اِوک ریدج با ساخت پیل خورشیدی مبتنی بر نانومخروط سه بعدی راندمان تبدیل نور به توان فوتوولتائیک را تا نزدیک 80 درصد رسانده است.

این فناوری در حقیقت بر مشکل انتقال ضعیف بارهای تولید شده بوسیله فوتون‌های خورشیدی غلبه می‌کند. این بارها (الکترون‌های منفی و حفره‌های مثبت) معمولا بوسیله نقایص در مواد توده‌ای و فصل‌مشترک‌شان بدام می‌افتند؛ و این پدیده منجر به افت عملکرد می‌شود.

پیل خورشیدی مبتنی بر نانومخروط شامل نانومخروط‌های نوع n، اکسید رسانای شفاف (TCO) ماتریس نوع p و بستر شیشه‌ای.

زو گفت: برای حل مشکل مربوط به بدام‌افتادن بارها که راندمان پیل خورشیدی را کاهش می‌دهد، ما یک پیل خورشیدی مبتنی بر نانومخروط ساختیم؛ روش‌هایی برای سنتز این پیل‌ها ابداع کردیم و راندمان مجموعه بار اصلاح شده را شرح دادیم.

این ساختار خورشیدی جدید شامل نانومخروط‌های نوع N است که بوسیله یک نیمه‌رسانای نوع p احاطه شده‌اند. این نانومخروط‌های نوع N از اکسید روی ساخته می‌شوند و بعنوان چارچوب اتصال و رسانای الکترون استفاده می‌شوند. ماتریس نوع p نیز از تلورید کادمیوم چندبلوری ساخته می‌شود و بعنوان محیط جاذب اولیه فوتون و رسانای حفره استفاده می‌شود.

زو و همکارانش با این راهبرد در مقیاس آزمایشگاهی قادر شدند که به راندمان تبدیل نور به توان سه و دو دهم درصدی برسند که از راندمان یک و هشت دهم درصدی ساختار مسطح مرسوم این ماده بیشتر است.

زو گفت: ما برای تهیه یک توزیع میدان الکتریکی ذاتی، ساختار سه بعدی طراحی کردیم، بطوری که انتقال موثر بار و راندمان بالا در تبدیل انرژی از نور خورشید به الکتریسیته را تقویت می‌کند.

برجستگی‌های مهم این ماده خورشیدی عبارتند از: توزیع میدان الکتریکی بی‌نظیرش که منجر به انتقال موثر بار می‌شود؛ سنتز نانومخروط‌ها با استفاده از روش‌های ویژه ارزان؛ و حداقل نقایص و فضاهای خالی در نیمه‌رساناها

 نقایص کم در نیمه‌رساناها باعث تقویت خواص نوری و الکتریکی برای تبدیل فوتون‌های خورشیدی به الکتریسیته می‌شود.

زو گفت : نکته مهم در اختراع ما این است که شکل نانومخروطی، میدان الکتریکی بالایی در مجاورت نوک تولید می‌کند که باعث جداسازی، تزریق و جمع‌آوری موثر بارهای کوچک می‌شود و درنتیجه در مقایسه با یک پیل مسطح مرسومِ ساخته شده با همان ماده، منجر به راندمان بالاتری می‌شود.

این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در دو مقاله تحت عناوین "انتقال موثر بار در پیل‌های خورشیدی فیلم – نوک نانومخروطی" و "پیل‌های خورشیدی نانواتصال مبتنی بر فیلم‌های CdTe چندبلوری رشدیافته روی نانومخروط‌های ZnO" "در IEEE Proceedings منتشر کرده‌اند.

فناوری نانو تقویت سلول های خورشید ی رافراهم کرده است

یک تحقیق که به تازگی انجام شده است، نشان می‌دهد که با جایگزین کردن نواری از نانو لوله‌های کربنی به جای یکی از دو لایه‌ای که معمولا در یک سلول خورشیدی استفاده می‌شود می‌توان با صرف هزینه اندکی عملکرد این سلول را تقویت کرد.

محققان روش شگفت آوری کشف کرده‌اند که می‌تواند خواصی را که نانو لوله ها به این منظور لازم دارند به آنها بدهد.

در حال حاضر، نوعی سلول‌های خورشیدی که سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ نامیده می‌شوند یک نوار شفاف از جنس اکسید دارند که روی شیشه کشیده شده است و برق را عبور می‌دهد. نوار دیگری نیز از جنس پلاتین وجود دارد که مانند یک کاتالیست موجب تسریع فعل و انفعالات شیمیایی می‌شود

با این وجود، هر دوی این مواد نقطه ضعف‌هایی نیز دارند.نوارهای اکسید را نمی‌توان به راحتی بر روی مواد قابل انعطاف کشید، آنها بر روی یک ماده سخت و مقاوم به حرارت مانند شیشه بهتر عمل می‌کنند.

جسیکا ترانسیک از موسسه سانتا فه ، اسکات کالابریز بارتون از دانشگاه ایالتی میشیگان و جیمز هون از دانشگاه کلمبیا تصمیم گرفتند تا از نانولوله‌های کربنی برای ایجاد یک لایه واحد استفاده کنند که بتواند کار هر دو لایه اکسیدی و پلاتینی را انجام دهد .برای این منظور محققان نیاز داشتند که این لایه واحد سه خاصیت، شفافیت، رسانایی و فعالیت کاتالیستی را داشته باشد.

نوارهای معمولی نانولوله‌ها ی کربنی، اندکی از این سه خواص را دارند.روش‌های معمول برای تقویت یکی از این خواص باعث از بین بردن یک خواص دیگر می‌شود.برای مثال ضخیم تر کردن این نوار آنرا کاتالیست بهتری می‌کند اما در مقابل، از شفافیت نوا می‌کند.تئوری قبلی نشان داده بود، زمانیکه مواد نقص‌های ریز و کوچکی داشته باشند احتمالا کاتا لیست‌ها ی بهتری خواهند بود و مکان‌هایی را برای چسبیدن مواد شیمیایی فراهم می‌کاهد.

از این رو محققان تلاش کردند تا نانولوله‌های کربنی را در معرض ازن قرار دهند.ازن اندکی به این لوله‌ها صدمه می‌زند.

محققان دریافتند که نوارهای بسیار نازک، کاتالیست‌های بسیار بهتری می شوند بطوریکه عملکرد آنها بیش از 10برابر افزایش می‌یابد.محققان به منظور رسیدن به حد وسط شفافیت و رسانایی نانولوله‌های کربنی بلندتری ساختند. این خاصیت موجب تقویت رسانایی و شفافیت این لوله‌ها شد.نوارهای نانو لوله کربنی را می‌توان در پیل‌های سوختی و باتری‌ها استفاده کرد.محققان نتایج خود را در گزارش‌های نانو منتشر کردند.

امکان ساخت یک پیل سوختی جیبی

ادمان تسانگ و همکارانش از دانشگاه آکسفورد نانوکاتالیست جدیدی ساخته‌اند که می‌تواند در دمای محیط و بدون نیاز به حلال‌ها یا افزودنی‌ها هیدروژن تولید کند. با استفاده از این نانوکاتالیست که از اسید فرمیک، هیدروژن تولید می‌کند، می‌توان پیل سوختی ساخت که به تدریج جایگزین باتری‌های لیتیومی شود و به افزاره‌های قابل حمل توان دهد.

نتایج اولیه این تحقیق نویدبخش هستند و نشان می‌دهند که ساخت پیل سوختی هیدروژنی که بتوان آن را در جیب گذاشت، امکان‌پذیر است.

ذره هسته – پوسته (اتم‌های پالادیوم روی یک نانوذره نقره)

راهبرد جدید شامل قراردادن لایه‌ی اتمی منفردی از اتم‌های پالادیوم روی نانوذرات نقره است. ادمان گفت: اثرات ساختاری و الکترونیکی نقره زیرین خواص کاتالیستی پالادیوم را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد، بطوری که فعالیت کاتالیستی موثر آن به حدی می‌رسد که می‌تواند اسید فرمیک را در دمای اتاق به هیدروژن و دی‌اکسیدکربن تبدیل کند.

او توضیح می‌دهد که ذخیره‌سازی و جابجایی مایع‌های آلی از قبیل اسید فرمیک، بسیار آسان‌تر و ایمن‌تر از ذخیره‌سازی هیدروژن است. این نانوکاتالیست قادر به تولید هیدروژن از سوخت مایع ذخیره‌شده در یک محفظه‌ی یک بار مصرف یا قابل مصرف مجدد، خواهد بود؛ بنابراین با استفاده از آن می‌توان پیل سوختی کوچکی ساخت که می‌تواند به افزاره‌های الکترونیکی قابل‌حملی نظیر گوشی‌های تلفن همراه و لپ‌تاپ‌ها توان بدهد.

مزیت دیگر این فناوری جدید این است که بخار گاز تولید شده از این واکنش به طور عمده از هیدروژن و دی‌اکسیدکربن تشکیل شده است و عاری از مونواکسیدکربن مسموم‌کننده‌ی کاتالیست است. این مزیت نیاز به فرآیند‌های تمیزکردن و افزایش دادن طول‌عمر پیل‌های سوختی را از بین می‌برد

این شیمیدانان برای تعیین مشخصات این نانوکاتالیست با استفاده از پرتونگاری پروب اتمی، با جرج اسمیت و پاول باگت در گروه مواد دانشگاه آکسفورد، همکاری می‌کنند. این فناوری مهم، موضوع یک اختراع ثبت‌شده جدید است.

ادمان توضیح می‌دهد که قبل از اینکه بتوان به یک افزاره واقعی رسید، صدها مشکل وجود دارد؛ اما ما این موضوع را بررسی می‌کنیم که آیا این امکان وجود دارد که با استفاده از این نانوکاتالیست جدید، یک فناوری ابداع کرد که جایگزین فناوری باتری یون لیتیوم شود، بطوری که طول‌عمر طولانی‌تری و تاثیر کمتری روی محیط‌زیست داشته باشد.

این شیمیدانان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nature Nanotechnology منتشر کرده‌اند.

عبور از سد خونی مغز و تصویربرداری از تومور

نانوکاوشگری که بتواند از سد خونی مغز بگذرد و اجازه تصویربرداری بسیار حساس از تومور مغز را بدهد، توسط دانشمندان چینی ساخته شد. این کاوشگر می‌تواند برای نقطه‌یابی مکان و وسعت تومور قبل از عمل استفاده شود و در برداشتن تومور بکمک تصویربرداری مفید باشد.

معلوم کردن مکان، وسعت و ساختار تومورهای مغزی برای برداشتن موفقیت‌آمیز آنها حیاتی است

 ولی، عامل‌های موجود در تصویربرداری تومور که در تصویربرداری تشدید مغناطیسی استفاده می‌شوند به خاطر طول عمر گردشی کوتاه، ویژگی هدفگیری نشده، و نفوذپذیری ضعیف به سد خونی مغز دارای محدودیت هستند. نتایج این محدودیت‌ها آن است که تومورهای درجه پایین و نیز 20 تا 30 درصد تومورهای مغزی پیشرفته با یک سد خون- مغز سالم، بدون شناسایی باقی می‌مانند.

گونگ لی از دانشگاه فودان، شانگهای، و گروهش این کاوشگر را با شروع از یک دندریمر- یک مولکول شاخه‌دار با طول عمر گردشی زیاد- ساختند و گروه‌های عاملی با وظایف مختلف را به آن ضمیمه کردند. یکی از این گروه‌ها، یک لیپوپروتئین لیگاند آنگیوپیپ 2 - ("angiopep")، به این کاوشگر در عبور از سد خون- مغز و هدفگیری گیرنده‌های لیپوپروتئین، که به مقادیر زیاد روی سلول‌های توموری یافت می‌شوند، کمک می‌کند. بواسطه استفاده از عامل‌های تصویربرداری مانند رنگینه‌های فلورسانت که به دندریمر وصل هستند، تصاویر واضحی می‌تواند تولید شود.

گروه‌های عاملی این نانوکاوشگر باعث می‌شود که قادر به عبور از سد خونی مغز و هدفگیری سلول تومور شود

این گروه کاوشگر مذکور را در موش‌هایی که دارای پیوندی از تومور مغز انسانی بودند تست کرده و فهمیدند که خاصیت هدفگیری بالا، حساسیت زیاد و سمیت بدنی کمی در مقایسه با یک کاوشگر کنترلی از خود نمایش می‌دهد. لی می‌گوید: "این نانوکاوشگر در ترسیم غیرجراحی مرز تومور مغزی مخصوصا برای تومورهای درجه پایین و تومورهای مرحله اولیه با سدهای خون- مغز سالم بسیار امیدوارکننده است."

نیک لانگ، یک متخصص در زیست تصویربرداری از امپریال کالج لندن، انگلیس، می‌گوید: "نانوذرات عامل دارشده بعنوان کاوشگرهای تصویربرداری پزشکی بسیار جدید هستند، ولی این سیستم دندریمری دو وجهی، نقش و نگار سحرآمیز دیگری ارائه می‌کند. قابلیت نگهداری شیمیایی آن، درکنار تصویرسازی کارآی تومور مغزی و روش هوشمندانه برای عبور از سد خون- مغز، باعث شده است که توجه بسیار ویژه‌ای به خود جلب کند."

جزئیات نتایج این کار تحقیقاتی در مجله‌ی Chem. Commun. منتشر شده است.

جداسازی نفت و آب با کمک فناوری‌نانو

نفت و آب باهم مخلوط نمی‌شوند، اما آنها می‌توانند به شدت در هم فرو روند. اکنون یوک خین یاپ و جارسولاو درلیچ از دانشگاه فنی میشیگان فیلتری ساخته‌اند که این دو ماده را به خوبی و به سرعت از هم جدا می‌کند.

این دانشمندان یک روکش نانولوله کربنی به ضخامت 10 میکرون روی توری فولاد ضدزنگ بسیار ریز خود ایجاد کردند. یاپ، استادیار فیزیک، می‌گوید: آنها یک ساختار لانه زنبوری بسیار عالی دارند که آب را دفع می‌کند، اما به مواد آلی نظیر نفت اجازه عبور می‌دهد.

تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی این فیلتر روکش‌داده شده با نانولوله کربنی. برای مقایسه، تصویر کوچک فیلتر فولاد ضدزنگ بدون روکش است.

این گروه تحقیقاتی برای آزمایش این فیلتر، امولسیونی از آب و بنزین روی آن ریخت. بعد از گذشت مدت زمانی نفت از این فیلتر عبور کرد، در حالی که آب باقی مانده بود.

یاپ می‌گوید که برای استفاده عملی از این افزاره مثلا برای جداسازی نفت از خلیج مکزیکو، هنوز مشکل‌هایی وجود دارد. اندازه این فیلتر کوچک است. بعلاوه قطره‌های آب فضاهای بین نانولوله‌ها را مسدود می‌کنند و بنابراین عبور هر چیزی را از سرتاسر این فیلتر سخت می‌کنند. او اضافه می‌کند: اما نکته جالب این است که این فیلتر به آسانی با نیروی گرانش کار می‌کند.

دریلیچ، استادیار علوم و مهندسی مواد، فکر می‌کند که این فیلتر توان بالقوه بزرگی دارد. او می‌گوید که این آزمایشات اولین مجموعه آزمایشات بودند. ما می‌توانیم با جریان الکتریسیته این فیلتر را گرم کنیم، تا ویسکوزیته نفت کاهش یابد و آب تبخیر شود. ما همچنین می‌توانیم در طرف خروجی این فیلتر، خلاء ایجاد کنیم تا نفت در سرتاسر فیلتر مکیده شود. یک طرح مهندسی خوب می‌تواند مشکل مسدود شدن را حل کند.

‌چنین فناوری می‌تواند به تصفیه نفت از شن‌های نفتی کانادا که آلوده به مقادیری از آب نمکی خورنده هستند، کمک کند. همچنین آن را می‌توان برای بازیافت نفت از پسماند مخازن اقیانوس‌پیماها استفاده کرد. این فناوری حتی ممکن است برای تمیز کردن نفت داخل موتور ماشین‌تان نیز استفاده شود

دریلیچ می‌گوید: طرح‌مان کاملا جدید است، زیرا متکی بر فناوری‌نانو است و قابل رقابت با دیگر فناوری‌ها است.

این دانشمندان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Carbon منتشر کرده‌اند.

کاهش ضررهای سیگار با کمک نانوفیلتر

در حالی که فیلترهای کنونی سیگارها، از جنس استات سلولز بوده و می‌توانند موادی نظیر نیکوتین، دوده و هیدروکربن‌های آروماتیکی چندحلقوی را جذب کنند؛ محققان چینی کشف کرده‌اند که نانوموادی از دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2) را می‌توان برای کاهش مواد شیمیایی مضر سیگار استفاده کرد.

برای چندین سال‌ است که محققان تلاش می‌کنند که جهت بهبود فیلترهای کنونی سیگارها، نانوموادی نظیر نانولوله‌های کربنی و سیلیکای مزومتخلخل به آنها اضافه کنند. این نانومواد به خوبی جواب داده‌اند و عملکرد اینگونه فیلترها را بهبود داده‌اند؛ با این حال، این نانومواد گران هستند و دارای خطرات احتمالی برای سلامتی هستند.

اکنون مینگدنگ وی، از دانشگاه فوزو و همکارانش از شرکت صنعتی فوجان تنباکو کشف کرده‌اند که نانولوله‌ها و نانوصفحه‌های تیتانات را می‌توان برای فیلتر کردن دود تنباکو استفاده کرد و اثرات مضر آن را به شدت کاهش داد. این نانومواد را می‌توان به آسانی با دی‌اکسید تیتانیوم و بوسیله روش نسبتا ارزانی تولید کرد. از آنجایی که دی‌اکسید تیتانیوم در حال حاضر در بازار وجود دارد و در محصولاتی مانند لوازم آرایشی، کرم‌های ضدآفتاب و حتی مواد غذایی استفاده می‌شود؛ خطر احتمالی برای سلامتی ندارد.

این گروه تحقیقاتی، با استفاده از روش‌های مرسوم نانولوله‌ها و نانوصفحه‌های تیتانات را تولید کرده و به فیلتر سیگارها اضافه کرده است. این محققان بعد از استعمال این سیگارها و گرفتن محصول‌های میعان دوده‌ی جمع‌شده روی فیلترها، روش‌های متنوعی نظیر کروماتوگرافی یونی و کروماتوگرافی مایع بسیار کارآمد، برای اندازه‌گیری مقدار مواد شیمیایی مختلف گرفته‌شده استفاده کردند

آنها کشف کردند که افزودنی‌های لوله‌ای، در جمع‌آوری ترکیبات مضر شیمیایی حدود دو برابر موثرتر از صفحه‌های تیتانات هستند.

آنها می‌گویند که این اختلاف به خواص ذاتی این دو ماده مربوط می‌شود؛ نانولوله‌ها از دیوارهای چندلایه بلوری تشکیل شده‌اند که شبیه یک ستون کروماتوگرافی نانومقیاس عمل می‌کنند، در حالی که نانوصفحه‌ها ساختار ورقه‌ای‌شکل دارند. وی توضیح می‌دهند: تعداد زیادی از یون‌های H+ می‌توانند روی سطح یا فضای بین‌لایه‌ای این لوله‌ای وجود داشته باشند. موقعی که دود سیگار از سرتاسر این لوله‌ها عبور می‌کند، NH3، هیدروکوینون، و فنول بواسطه جذب شیمیایی با H+ واکنش می‌دهند و می‌توانند روی سطح یا در فضای بین‌لایه‌ای لوله‌ها باقی بمانند.

در حالی که تحقیق کنونی‌ این محققان مزایای استفاده نانومواد دی‌اکسید تیتانیومی در فیلتر سیگارها را نشان می‌دهد، آنها امیدوارند که بتوانند استفاده این نانومواد در دیگر افزاره‌های فیلترینگ مانند سیستم‌های تصفیه هوا و ماسک‌های گاز را بررسی کنند.

جزئیات نتایج این کار تحقیقاتی در مجله‌ی Chemical Communications منتشر شده است.

نیروگاه‌های هسته‌ای ایمن با کمک فناوری‌نانو

انرژی هسته‌ای در آینده‌ی انرژی پاک جهان، جایگاه مهمی دارد؛ اما با توجه به حوادث اخیر نیروگاه فوکوشیمای ژاپن، ایمنی این فناوری اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است. اکنون دانشمندان در دانشگاه کالیفرنیا برای مواد قرار گرفته در برابر تشعشع‌های رادیواکتیو، روش تست نانومقیاسی ارائه کرده‌اند که خواص مکانیکی ماکرومقیاس این مواد را تحت شرایط معین اندازه‌گیری می‌کند. این روش می‌تواند به ساخت مواد جدید برای کاربردهای هسته‌ای کمک کند و برای کاهش مقدار مواد مورد نیاز جهت تست تجهیزات موجود در نیروگاه‌ها، راهکارهایی ارائه کند.

آندریو ماینر، یکی از این محققان، گفت: "تست‌های مکانیکی نانومقیاس در مقایسه با مقادیر توده‌ای و ماکرومقیاس همیشه استحکام‌های بالاتری به شما می‌دهند. ما نشان داده‌ایم که شما حقیقتا می‌توانید از نمونه‌های تحت تابش با قطرهایی به کوچکی 400 نانومتر به خواص واقعی برسید. این توانایی در زمینه مواد هسته‌ای جهت پیشرفت تست‌های نانومقیاس راهکارهایی ارائه می‌کند.

در این مطالعه، ماینر و همکارانش تست‌های فشردگی نمونه‌های مسی قرار گرفته در معرض تابش پروتون‌های پرانرژی را بررسی کرده و برای آسیب‌های ناشی از این تابش به خواص مکانیکی مس، مدلی ارائه کرده‌اند. آنها با استفاده از یک افزاره تست مکانیکی درجای ویژه در یک میکروسکوپ الکترونی عبوری، توانستند طبیعت موضعی این تغییرشکل را با دقت مقیاس‌نانو بررسی کنند.

نقایص سه بعدی ایجاد شده بوسیله تابش داخل مس، می‌توانند حرکت نقایص یک بعدی در ساختار بلوری معروف به نقایص جابجایی را مسدود کنند. این برهم‌کنش سبب می‌شود که مواد قرار گرفته در معرض تابش ترد و شکننده شوند، و برای آنها، مقدار نیرویی که یک ماده قبل از شکسته شدن تدریجی می‌تواند در برابر آن مقاومت کند؛ تغییر کند. بعلاوه، میکروساختارهای پیچیده ناشی از تابش، ممکن است باعث برهم‌کنش‌های جابجایی در نمونه‌های نانومقیاس شوند که در مقایس ماکرو (برای مواد توده‌ای) نیز همان اثرات را دارند. این روش با برگرداندن مقادیر استحکام نانومقیاس به خواص توده‌ای، می‌تواند به طراحان راکتورهای هسته کمک کند که برای اجزاء طراحی در نیروگاه‌های هسته‌ای، مواد مناسب پیدا کنند.

این دانشمندان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را تحت عنوان "تست نانوفشردگیِ در جای مسِ قرار گرفته در معرض تابش" در مجله‌ی Nature Materials منتشر کرده‌اند.

این دانشمندان تست‌های فشردگی نمونه‌های مسی قرار گرفته در معرض تابش پروتون‌های پرانرژی را بررسی کرده و برای آسیب‌های ناشی از این تابش به خواص مکانیکی مس، مدلی ارائه کرده‌اند

 

***************

جلوگیری از بیماری آلزایمر با کمک نانوذرات

یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که نانوذرات معدنی با ابعاد و شکل مناسب می‌توانند در مبارزه با پلاکی که موجب تخریب عصب‌ها می‌شود و منجر به بروز علائم مرتبط با بیماری آلزایمر می‌گردد، کلیدی باشند.

نیکولاس کوتوف، که استاد مهندسی شیمی از دانشگاه میشیگان است، می‌گوید که وسایل فناوری‌نانو می‌توانند در جذب و گیراندازی الیاف طویل‌تری که به ساخت پلاک وابسته به اختلالات تخریب عصبی، شناخته شده است، کمک کنند.

کوتوف گفت: "پپتیدهای آمیلوئیدی و نانوذارت هر دو دارای توانایی قوی برای خودآرایی بصورت الیاف هستند. ما دنبال هر اثر ممکنی از نانوذرات بر روی تشکیل الیاف آمیلوئیدی بودیم. مشاهده اثر بازدارندگی عجیب روی لیفی شدن آمیلوئیدها باعث خوشحالی شد، زیرا این کشف دروازه جدیدی برای رهیافت‌های تازه به سوی ساخت داروهایی که مانع از بیماری آلزایمر شوند، می‌گشاید. "

او با مطرح کردن نانوذرات معدنی چهاروجهی که از لحاظ اندازه با الیاف در حال رشد قابل مقایسه بودند، کشف کرد که پلاک خطرناک بسرعت به آنها متصل می‌شود و هندسه آنها بطور قوی عوض می‌گردد. این تغییرشکل شدید و ناگهانی منجر به جلوگیری از لیفی شدن آنها می‌شود.

داروهای کنونی آلزایمر به پپتیدهای آمیلوئیدی با نسبت 1:1 پیوند می‌خوردند. معلوم شده است که این فرایند ناکارآ می‌باشد. این نانوذرات می‌توانند مانع از لیفی شدن پپتید آمیلوئیدی در مقادیر کوچک با بازدهی بسیار بیشتری شوند. یک نانوذره می‌تواند بیش از 100 پپتید آمیلوئیدی را گیراندازی کند. این بازدهی بالا در جلوگیری از لیفی شدن باعث می‌شود که نانوذرات به بعضی از پروتئین‌هایی که بدن انسان برای محافظت خودش در برابر توسعه بیماری آلزایمر تولید می‌کند، شباهت داشته باشند.

مفهومی که در اینجاست این است که اگر برای مثال یک ذره سازگار با انسان وارد بدن شود، آنگاه اثر آن می‌تواند رشد پلاک تضعیف‌کننده را بکلی از بین ببرد یا حداقل آنرا محدود کند. نتایج حاصل از این کار نشانگر یک گام بزرگ در مبارزه با بیماری‌هایی مانند آلزایمر است. آزمایشگاه کوتوف در حال کار بر روی مهندسی چنین ذرات و نیز فهم بهتر متابولیسم آنها است.

این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را تحت عنوان "مکانیسم جلوگیری از لیفی شدن پپتیدهای آمیلوئیودی با استفاده از نانوذرات معدنی، شباهت‌های عملکردی با پروتئین‌ها را آشکار می‌کند" در مجله‌ی Angewandte Chemie منتشر کرده‌اند.

آلزایمر با نابودکردن سلول‌های مغز باعث ایجاد مشکلاتی در حافظه‌ی طولانی‌مدت می‌شود. متاسفانه درمانی برای آلزایمر وجود نداشته و تنها در مراحل پیشرفته بیماری و با شناسایی پلاک‌های خونی کهنه و تارهای عصبی درهم‌تنیده‌ی موجود در بافت مغز، قابل تشخیص است

***************

فرصتی طلائی برای تشخیص زودهنگام آلزایمر

محققان موفق به کشف روشی سریع برای شناسایی زیست‌نشانه‌های بیماری آلزایمر شده‌اند. این روش که بر مبنای تحلیل طیف‌های پراش دو- فوتون نانوذرات طلا است به طور گزینش‌پذیری پروتئینی که در بدن یک بیمار مبتلا به آلزایمر موجود است، را شناسایی می‌کند و نسبت به روش‌های قبل 100 برابر گزینش‌پذیرتر است. این روش به تشخیص زودهنگام این بیماری کمک شایانی می‌کند.

آلزایمر با نابودکردن سلول‌های مغز باعث ایجاد مشکلاتی در حافظه‌ی طولانی‌مدت می‌شود. متاسفانه درمانی برای آلزایمر وجود نداشته و تنها در مراحل پیشرفته بیماری و با شناسایی پلاک‌های خونی کهنه و تارهای عصبی درهم‌تنیده‌ی موجود در بافت مغز، قابل تشخیص است. این تارهای عصبی درهم‌تنیده متشکل از پروتئین تو ("Tau") در سلول‌های مغز هستند.

مراحل مختلف شناسایی زیست‌نشانه‌های بیماری آلزایمر توسط نانوذرات طلا

دانشمندان متوجه شده‌اند که پروتئین‌های تو که سازنده‌ی نرون‌ها هستند با وجود بیماری آلزایمر تغییر ساختار فاحشی نشان می‌دهند و بشدت فسفاته هستند. اندازه‌گیری این پروتئین‌ها می‌تواند روشی برای تشخیص بیماری در مراحل اولیه آن باشد تا با مصرف بموقع دارو از شدت پیشرفت بیماری کاسته شود.

این روش که توسط محققان دانشگاه ایالتی جکسون ارائه شده‌است بر مبنای متصل‌کردن نوعی پادتن به نانوذرات طلاست که قادر به شناسایی این پروتئین‌های تغییر ساختار یافته در بیماران آلزایمر است. با حضور این پروتئین‌های خاص دسته‌های بهم پیوسته‌ای از این نانوذرات در محل حضور پروتئین ها شکل می‌گیرند (شکل را ببینید).

در شکل این دسته‌ها با رنگ آبی نشان داده شده‌اند که با نانوذرات مستقل که به رنگ قرمز هستند، متمایزند. این تغییر رنگ با تحلیل طیف بدست آمده از پراش نور دو- فوتون از محلول قابل تشخیص است. در این روش با تحریک نانوذرات با نوری با طول موج مشخص، دو- فوتون پراش می‌شوند.نتایج این تحقیق در مجله‌ی ACS Nanoمنتشر شده‌است.

***************

قلم حاوی جوهر نانوذره‌ای برای ترسیم مدارها

دو استاد از دانشگاه ایلینویز جوهر رسانایی تولید کرده‌اند که می‌تواند در قلم‌های سرغلتکی مرسوم برای ترسیم دستی مدارها بر روی کاغذ و سایر مواد متخلخل استفاده شود. جنیفر لویس، جنیفر برنهارد و همکارانشان توضیح می‌دهند که چطور آنها قادر به ساخت نوعی جوهر از نانوذرات نقره شده‌اند که مادامی که در داخل قلم است، به صورت مایع باقی می‌ماند ولی به محض استفاده مانند جوهر معمولی خشک می‌شود. این قلم در ترسیم یک صفحه نمایش LCD واقعی و یک آنتن مورد استفاده واقع شد.

مهندسان قلمی با جوهر نقره‌ای رسانا درست کرده‌اند که می‌تواند برای نوشتن مستقیم مدارهای الکتریکی و اتصالات روی کاغذ یا سایر سطوح استفاده شود.

گروه مذکور برای ساخت این جوهر، نانوذرات نقره را با احیاء محلول نیترات نقره بهمراه یک اسید، که برای ممانعت از بزرگ شدن اندازه ذرات استفاده شد، تولید کرد. بعد از آن، اسید زدوده شد و چسبندگی جوهر با استفاده از سلولز هیدروکسی اتیل بهبود داده شد تا سازگاری مناسب ایجاد شود. محصول ایجاد شده یک نوع فلز مایع است که بهنگام تماس خشک می‌شود و می‌تواند برای ایجاد رسانش الکتریکی هم استفاده شود و به‌همین خاطر در خلق یک مدار قابلیت دارد.

تاکنون، پژوهش زیادی بر روی چاپ مدارات بر روی مواد غیراستاندارد، مانند کاغذ، با استفاده از چاپگرهای جوهرجتی یا حتی رنگ پاش انجام شده است. این پژوهش جدید اجازه خواهد داد که مدارها به صورت سریع‌تر و ارازن‌تر، یا حتی در حین حرکت، به‌طوریکه نیاز به هیچ سخت‌افزار دیگری نباشد، ترسیم شوند.

این یک آرایه انعطاف‌پذیر از LEDهایی است که روی یک کاغذ قرار گرفته‌اند. خطوط نقره‌ای ترسم شده با دست تشکیل اتصالات بین LED‌ها را می‌دهند.

چنین افزاره کم‌قیمتی می‌تواند بازاری برای مدارهای دورانداختنی یا حتی باتری‌های فوق ارزان ایجاد کند. دلیل اینکه در این مطالعه از کاغذ استفاده شده است، این است که کاغذ مناسب‌ترین ماده غیراستاندارد برای چاپ مدار است زیرا دسترسی به آن آسان، قیمتش کم و توانایی آن برای خم شدن و شکل دهی بالاست و نیز این حقیقت که تجزیه‌پذیر زیستی است.

لویس متذکر شد که کاغذ استفاده شده در این مطالعه بعد از تست شدن مورد خمش قرار گرفت تا چگونگی پایداری مدار مشاهده شود.

این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Advanced Materials منتشر کرده‌اند.

تغذیه نانوروبات‌ها از زیر پوست

با ساخت جدیدترین نانوافزاره‌ای که زیر پوست قرار می‌گیرد و انرژی نور فروسرخ نزدیک (NIR) را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، افسانه‌های علمی نمود واقعی پیدا می‌کنند. بگفته دانشمندان تایوانی این یک منبع توان الکتریکی بی‌سیم نویدبخش برای نانوروبات‌های زیست‌شناختی جهت استفاده در داخل بدن انسان است.

این نانوافزاره یک افزاره فوتوولتائیک آلی (OPV) است که توسط فانگ - چونگ چن و گروهش از دانشگاه ملی چیاو تونگ واقع در هسینچو طراحی شده است. OPVها بیشتر به خاطر کاربردهای‌شان در فناوری پیل خورشیدی که نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می‌کند، شناخته شده‌اند.

این افزاره، که به‌اندازه یک تار است، تابش NIR ناشی از یک لیزر را به توان الکتریکی تبدیل می‌کند

اکنون چن و همکارانش یک افزاره OPV ساخته‌اند که از نور NIR استفاده می‌کند و تبدیل انرژی را در زیر سطح پوست بعنوان یک بافت بیولوژیکی که نسبت به نور NIR بسیار شفاف است، امکان‌پذیر می‌کند. این افزاره به خاطر ساخته شدن از چندین لایه که شامل شیشه‌اندود شده با اکسید قلع ایندیوم (ITO)، بالشتک آندی، لایه مخلوط پلیمیر/ فولرین، و کاتد کلسیم / آلومینیوم می‌شود، کوچک است و به شکل یک تار بوده و برای تجهیزات بیولوژیکی ایده‌آل است.

گروه چن برای تست کردن نظریه‌شان، این افزاره فتوولتائیک را با یک لایه 3 میلی‌متر از پوست خوک پوشانده و لیزر NIR با بیشینه شدتی که توسط پوست انسان قابل تحمل است، به آن تاباندند. اندازه خروجی الکتریکی این افزاره که توسط گروه‌انداز‌‌گیری شد، 32/0 میکرووات بود که بیشتر از مقدار مورد نیاز برای تغذیه همزمان تعداد زیادی افزاره بیولوژیکی است - توان نوعی مورد نیاز برای یک نانوافزاره تقریبا 10 نانومتر است.

یانگ یانگ، مدیر مرکز انرژی تجدیدپذیر نانو از دانشگاه کالیفرنیا واقع در لوس آنجلس آمریکا، می‌گوید: "این یک طراحی بسیار جالب و هوشمندانه است که برای کاربردهای پزشکی به صورت بالقوه مهم و سودمند خواهد بود. چن جهت‌گیری جدیدی برای افزاره‌های OPV‌ ابداع کرده است."

چن می‌گوید: "علاوه‌بر تعمیر بافت یا‌شناسایی هدف پزشکی، این افزاره OPV می‌تواند بعنوان منبع انرژی برای ماشه‌زنی توابع بیولوژیکی نانوروبات‌ها، یا کاربردهای سرراست‌تری در شبیه‌سازی عصبی داشته باشد." او اضافه می‌کند که با این روش ممکن بتوانیم از روش‌های نوری برای ماشه‌زنی تحریک الکتریکی درون بدن جهت کنترل مستقیم بیماری استفاده کنیم.

این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Energy Environ. Sci منتشر کرده‌اند.

************

ساخت یک نانوچسب زخم برای قلب

مهندسانی از دانشگاه براون و موسسه فناوری کانپور هند رهیافت امیدبخش جدیدی برای درمان قربانیان حمله قلبی دارند. این پژوهشگران با استفاده از نانوالیاف‌ کربن و یک پلیمر توانسته ند یک نانوچسب زخم بسازند. در تست‌های آزمایشگاهی، چگالی سلول‌های طبیعی بافت قلب بر روی این نانوچارچوب شش برابر بیشتر از نمونه کنترلی بود، درحالیکه چگالی عصب دوبرابر شده بود.

وقتی که شما دچار یک حمله قلبی می‌شوید، قسمتی از قلب شما می‌میرد. سلول‌های عصبی در دیواره قلب و گروه خاصی از سلول‌هایی که به طور خودبه خودی منبسط و منقبض می‌شوند و باعث می‌شوند ضربان قلب دارای زمانبندی صحیح باشد- برای همیشه از بین می‌روند. جراحان نمی‌توانند ناحیه آسیب دیده را تعمیر کنند.

 این پژوهشگران نانوچسب زخمی برای قلب ساخته‌‌اند که تست‌ها نشان می‌دهند، نواحی خسارت دیده قلب را که برای مثال از یک حمله قلبی ایجاد شده‌اند، احیا می‌کند

اکنون دانشمندان دانشگاه براون ساختاری شبیه به چارچوب ساخته‌اند که از نانوالیاف کربنی و پلیمری که زیست‌سازگار است، تشکیل شده است. آزمایش‌ها نشان داد که این نانوچسب زخم مصنوعی می‌تواند سلول‌های طبیعی بافت قلبی را-که کاردیومیوسیت نامیده می‌شوند- و نیز سلول‌های عصبی را بازتولید کند. بعبارت کوتاه، این آزمایش‌ها نشان داد که ناحیه مرده قلب می‌تواند از دوباره زنده شود.

چیزی که در آزمایش‌های این دانشمندان منحصربه فرد است، این است که مهندسان از نانوالیاف کربنی استفاده کرده‌اند. نانوالیاف کربنی خیلی خوب کار می‌کنند زیرا رساناهای فوق‌العاده‌ای برای الکترون‌ها هستند و می‌توانند اتصالات الکتریکی را ایجاد کنند که قلب با تکیه بر این نوع اتصالات ضربان هماهنگی دارد. استوت دیوید، از دانشگاه بروان، می‌گوید که این پژوهشگران با استفاده از یک پلیمر اسید پلی لاکتیک-کو- گلیکولیک توانستند این نانوالیاف‌ها را به هم متصل تا یک توری به طول تقریبی 22 میلیمتر و ضخامت 15 میکرون، که شابهت زیادی به یک "چسب زخم مشکی" دارد، تشکیل دهند. آنها این توری را روی یک زیرلایه شیشه‌ای خواباندند تا تحقیق کنند که آیا کاردیومیوسیت‌ها بر روی سطح کلونه خواهند شد و سلول‌های بیشتری را رشد خواهند داد یا نه.

نانوالیاف کربنی خیلی خوب کار می‌کنند زیرا رساناهای فوق‌العاده‌ای برای الکترون‌ها هستند و می‌توانند اتصالات الکتریکی را ایجاد کنند که قلب با تکیه بر این نوع اتصالات ضربان هماهنگی دارد

در تست‌هایی با نانوالیاف کربنی به قطر 200 نانومتر که شامل کاردیومیوسیت‌ها بودند، در مقایسه با نمونه کنترلی که فقط از یک پلیمر تشکیل شده بود، بعد از چهار ساعت سلول‌های بافت قلبی پنج برابر بیشتر روی سطح کلونه شدند. طبق گزارش این پژوهشگران، چگالی سطح بعد از پنج روز شش برابر بیشتر از نمونه کنترلی بود. به گفته آنها، چگالی سلول‌های عصبی نیز بعد از چهار روز دوبرابر شده بود.

این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Acta Biomaterialia منتشر کرده‌اند.

************

خلق تصاویر سه بعدی با پلاسمون‌های سطحی

تصاویر سه بعدی که با استفاده از برهمکنش‌های بین نور و نوسانات جمعی الکترون‌های موجود در سطوح فلزی، که به پلاسمون‌های سطحی معروف هستند، نمایان می‌شوند، منجر به تحول بزرگی در فناوری تصویربرداری خواهند شد. ساتوشی کاواتا و همکارانش از موسسه تحقیقاتی RIKEN در ژاپن، تصاویری ساخته‌اند که، برخلاف تصاویر سه بعدی کارت اعتباری، از هر زاویه‌ای با همان رنگ‌های طبیعی ظاهر می‌شوند.

پلاسمون‌ها "شبه ذراتی" هستند که وقتی الکترون‌های فلزی به طور دسته جمعی در فرکانس موج نوری نوسان می‌کنند، مشاهده می‌گردند. اگر نور با فرکانسی کمتر از فرکانس پلاسمون‌های سطحی بر فلز بتابد، منعکس می‌گردد؛ در حالیکه نورهایی با فرکانس بالاتر عبور می‌کنند. فرکانس‌های پلاسمون سطحی مربوط به طلا و نقره در بازه نور مرئی قرار دارند و همین امر باعث ایجاد رنگ‌های ممتاز آنها شده است. گروه کاواتا این پدیده را به‌کار می‌گیرد. کاواتا می‌گوید: "طرح ما این است که پلاسمون‌ها می‌توانند برای انتخاب رنگ‌ها در تصاویر سه بعدی استفاده شوند. این تصاویر با استفاده از نور سفید بازسازی می‌شود و نیازی به لیزر ندارد."

 بازسازی سه بعدی یک سیب قرمز و برگ سبزش با استفاده از تصاویر سه بعدی پلاسمون سطحی

هنوز لیزرها برای ساخت تصاویر سه بعدی ضروری هستند. میو اوزاکی و جون- ایچی کاتو، که از اعضای این گروه هستند، اشیاء را با لیزرهای آبی، سبز، و قرمز روشن می‌کنند و سپس نور پراکنده‌شده را از یک ورقه شیشه‌ای که با لایه‌ای از یک ماده فوتومقاومت به ضخامت 150 نانومتر پوشانده شده است، منتقل کرده و تصویر بدست آمده را ثبت می‌نمایند.

برای ساخت تصاویر پلاسمونی، این دانشمندان یک لایه نقره به ضخامت 55 نانومتر و یک لایه شیشه به ضخامت 25 نانومتر بر روی این ماده فوتومقاومت کشیدند. تاباندن نور به این تصاویر از طریق یک منشور از سه زاویه مختلف، یک زاویه بازای هر رنگ، می‌تواند این تصاویر سه بعدی را بازسازی کند.

کاواتا پیش‌بینی می‌کند که او و سایر دانشمندان سرانجام از این روش برای خلق عکس‌های متحرک استفاده خواهند کرد. ولی حتی قبل از آن، طبق اظهارات هایکه آرنولدز، که بر روی فوتوشیمی تقویت شده پلاسمونی در دانشگاه لیورپول کار می‌کند، چنین تصاویر نویدبخشی، افزاره‌های متحول‌کننده‌ای برای طبابت شخصی می‌باشند. او می‌گوید: "شیمیدان‌ها با تولید سطوح عامل‌دارشده برای حسگرهای تشدید پلاسمون سطحی در جایگاه خوبی برای بکارگیری این فناوری قرار دارند." او توضیح می‌دهد: "یک حسگر گلوکوز می‌تواند خروجی خود را در قالب تغییرات رنگی مشخص ایجاد کند."

جزئیات نتایج این تحقیق در مجله‌ی Science منتشر شده است.

فرآوری : مریم نایب زاده

بخش دانش و زندگی تبیان