مرکز انجمنهای تخصصی

 توليد قطعات اُپتيکي با استفاده از پيله کرم ابريشم  
  
تبديل پيله کرم ابريشم به اجزاي اُپتيکي کاملاً کارکردي همانند آرايه‌هاي ميکرولنزي و شبکه‌هاي پراش با ساختارهاي نانومتري ممکن است شبيه داستان علمي-تخيلي به نظر برسد، اما گروهي از محققان در دانشگاه توفتز در آمريکا اين کار را انجام داده‌اند.
فيورنزو اُمِنِتو يکي از محققان اين پژوهش مي‌گويد: «ما دنبال ماده جديدي براي جايگزيني بافت قرنيه بوديم و در نتيجه ويژگي‌هاي اُپتيکي ابريشم و توانايي آن براي جايگزيني قطعات نوري را بررسي نموديم. کل اين سامانه، زيست‌سازگار، زيست‌تخريب‌پذير، و قابل کاشت در بدن است».
مزيت ديگر اين روش اين بود که محققان توانستند ترکيباتي همچون آنزيم‌ها و پروتئين‌ها را در طول فرايند ساخت درون ابريشم مورد نظر وارد نمايند. در بسياري موارد، لازم است گيرنده‌هاي شيميايي به يک سطح متصل شوند؛ از اين نقطه نظر، راحتي وارد کردن اين ترکيبات در قطعات اُپتيکي ابريشمي يک مزيت بزرگ به حساب مي‌آيد.
اُمِنِتو توضيح مي‌دهد: «مهم‌ترين ويژگي اين روش اين است که قطعات اُپتيکي در محيط آبي و در دماي معمولي تهيه شده، فراوري شده، و بهينه مي‌شوند و اين امر امکان وارد کردن گيرنده‌هاي زيستي همچون پروتئين‌ها و آنزيم‌ها را در آنها ايجاد مي‌کند. ما مي‌توانيم عناصر اُپتيکي پيچيده را در پروتئين خالص توليد کرده و فعاليت زيست‌شيميايي ترکيبات زيستي وارد شده در اين عناصر را حفظ نماييم».
فرايند ساخت با جوشاندن پيله کرم ابريشم به مدت 30 دقيقه آغاز مي‌شود. مرحله بعد، اضافه کردن ترکيبات مورد نظر همانند هموگلوبين يا آزنيم پراُکسيداز، و ريختن جرم ابريشمي توليد شده روي قالب‌هاي منفي اجزاي مورد نظر است. سپس حلال تبخير شده و يک فيلم به ضخامت حدود 100 ميکرون روي قالب باقي مي‌ماند که از روي آن جدا مي‌شود.
اجزايي همچون لنزها، آرايه‌هاي ميکرولنزي، توليدکنندگان الگو، و باريک‌کنندگان طيف با استفاده از اين روش توليد شدند.
اُمِنِتو و همکارانش گزارش کرده‌اند که اجزاي اُپتيکي آنها بيشتر نور مرئي را بين 90 تا 95 درصد ازخود عبور مي‌دهند. در مورد شبکه‌هاي پراش، 37 درصد نور تابيده شده از يک منبع نور سفيد ابرپيوسته به درجه پراش اوليه تغيير جهت يافتند؛ عرض شکاف‌ها 125 نانومتر بوده و ديواره‌هاي صيقلي داشتند.
اُمِنِتو ادامه مي‌دهد: «امکان وارد کردن ترکيبات زيستي درون اين پيله‌ها، راه را براي توليد قطعات فتونيکي سازگار با محيط زيست و زيست‌پزشکي هموار مي‌سازد».
نتايج کار اين محققان در Biomacromolecules منتشر شده است.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 تصويربرداري از تومورهاي سرطاني با کمک نانوذرات  
محققان ايندوساينين سبز را به‌عنوان رنگ‌هاي فلورسانت NIH در نانوذرات فسفات کلسيم زيست‌تخريب‌پذير کپسوله کردند و از آن در ايجاد تصوير near infrared bioimaging بهتر استفاده كردند، همچنين به کمک نيروهاي واندروالس قوي روش جديدي را براي ساخت نانوذرات ابداع کردند.
يکي از اهداف فناوري‌نانو تشخيص هرچه زودتر بيماري‌هاست. روش‌هاي تصويربرداري امروزي(از قبيل X-Rays و MRI ) محدوديت‌هايي دارند كه از آن جمله مي‌توان به اندازة تومور قابل تشخيص، عمل نفوذ اشعه در بدن و عوارض جانبي آنها اشاره كرد. روش ديگر تصويربرداري، زيست‌تصويربرداري نزديک فروسرخ(near infrared bioimaging) است. اين روش تهاجمي و بدون درد است و از اشعه‌هاي غير يونيزان استفاده مي‌کند. دانشمندان توانسته‌اند تا از طريق ادغام اين روش با نانوذراتي که رنگ‌هاي فلورسانت NIH را پس مي‌دهند(ايندوساينين سبز)، توموري را به قطر پنج سانتي‌متر در يک مدل موش زنده در طول يک دورة چهار روزه و بيشتر تشخيص دهند.
ايندوساينين سبزتنها مادة آلي NIH است که براي استفاده در بدن انسان به‌وسيلة FDA تأييد شده‌است. اين ماده درون نانوذرات فسفات کلسيم با قطر 20 نانومتر کپسوله شد. نانوذرات فسفات کلسيم زيست‌تخريب‌پذيرند و برخلاف ساير ذراتي که در تصويربرداري و دارورساني استفاده مي‌شوند، به‌صورتي گسترده در جريان خون حضور دارند.
محققان دريافتند که نانوذرة آنها از لحاظ کارايي نوري دو برابر و از لحاظ پايداري نوري(photostability) پنج برابر ايندوساينين سبز است.
کار ديگر اين محققان، ايجاد روش جديدي براي ساخت نانوذرات است. اين روش HPLC واندروالس ناميده شده‌است. در اين فناوري از نيروهاي واندروالس قوي که بين ذرات وجود دارد و جدا از نيروهاي کوچک واندروالس بين مولکول‌ها، اتم‌ها و يون‌هاست، استفاده شد. قسمت سخت اين سنتز، اطمينان از کلوخه نشدن ذرات و قسمت بحراني آن، شستن تمام محصولات جانبي و اضافي است که در حين سنتز ايجاد مي‌شود. در نهايت اين سنتز سوسپانسيوني پاک از مولکول‌ها، اتم‌ها و يون‌هاي شاهد به دست مي‌آيد.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 پيشرفت درمان با سلول‌هاي بنيادي به کمک ميکرو و نانوکپسول‌ها  
  
محققان توانستند با قرار دادن فاکتور رشد درون ذرات PLGA، سرعت تمايز رگ‌ها از سلول‌هاي بنيادي جنيني را افزايش دهند.
طبِ احيا قسمت مهمي از پزشکي است که در آن براي جبران کمبود منابع سلولي به‌منظور ترميم بافت‌ها از سلول‌هاي بنيادي استفاده مي‌شود. با کمک اين سلول‌هاي بنيادي مي‌توان بيماري‌هايي مثل سرطان، ديابت، مشکلات قلبي‌ـ عروقي، جراحات مغزي‌ـ‌ نخاعي و بسياري از نارسايي‌هاي ديگر را درمان کرد.
سلول‌هاي بنيادي جنيني، چندکاره(pluripotent) هستند؛ يعني در طول نمو جنيني(embryogenesis)، سلول‌هاي بنيادي جنيني انساني(hESC) مي‌توانند به سه لاية ابتدايي جنين تمايز يابند؛ هر کدام از اين لايه‌ها سازندة بيش از 220 نوع سلول در بدن يک بالغ است.
تا زماني که hESC بتواند بدون محدوديت تکثير شود و به سلول‌هاي رگي تمايز يابد، گزينة خوبي براي استفاده در مهندسي بافت است. ايجاد رگ‌هاي جديد، از مهم‌ترين مسائل در طب احياست؛ زيرا انتشار اکسيژن مي‌تواند تنها تا شعاع 100 تا 200 ميکرومتري از يک رگ را تغذيه کند.
براي تحريک تمايز hESC به رگ از ايجاد سلول‌هاي شبه کروي به ‌نام تنة جنيني(Eb) استفاده مي‌شود. Ebها به‌وسيلة رآکتورها سريعاً بزرگ شده و سلول‌هاي تمايزيافته را ايجاد مي‌کنند.
به دست آوردن سلول‌هاي رگي از Ebها گسترة وسيعي ندارد و تنها 10 درصد از سلول‌ها به‌صورت مجتمع و قابل استفاده به دست مي‌آيد. هم‌اكنون دانشمندان روش جديدي را براي سرعت بخشيدن به تمايز رگي از hESC يافته‌اند. اين روش از طريق همراه کردن Ebها با نانوذرات و ميکروذراتي قابل انجام است که فاکتور رشد آزاد مي‌کنند. اثر تمايز رگي اين ذرات بسيار بيشتر از اثر اضافه کردن همان فاکتور رشد در دوز بالاتر و از منبع خارجي بود.
رساندن فاکتور رشد به داخل ساختار سه‌بعدي سلول باعث افزايش غلظت اين ماده در Ebها مي‌شود و زمان برخورد اين دو با هم افزايش مي‌يابد. اين مسئله با توجه به کم بودن نيمة عمر فاکتور رشد بسيار مهم است. از مزاياي ديگر اين روش آن است که دانشمندان مي‌توانند مطمئن باشند که سلول‌ها و سيستم دارورساني در بدن، در کنار هم قرار گرفته‌اند.
در اين مطالعه از ذرات PLGA با اندازه‌هاي مختلف(25 µm، 6 µm و 240 nm )به‌عنوان آزادکنندة هورمون رشد استفاده شد. نتايج حاکي از اين بود که ذرات 25 µm و 6 µm به‌ندرت به‌وسيلة سلول جذب مي‌شوند. در حالي که جذب ذرات 240 nm به‌وسيلة سلول‌ها بسيار بالاست؛ در واقع مي‌توان گفت ذرات ميکروجذب سطحي شده، فاکتورهاي خود را به خارج سلول آزاد مي‌کنند، در حالي که نانوذرات فاکتورهاي خود را به داخل سلول آزاد مي‌کنند.
همچنين در اين تحقيق از فاکتور رشد اندوتليال عروقي(VEGF)، فاکتور رشد فيبروبلاست پايه(bFGF) و فاکتور رشد جفت(PlGF) به‌عنوان فاکتورهاي رشد استفاده شد. اين فاکتورها اثر خود را روي گيرنده‌هاي واقع در سطح سلول مي‌گذاشتند و در نتيجه استفاده از ذراتي که فاکتورها را به خارج سلول آزاد مي‌کنند، توأم با نتيجة بهتري است.
پژوهشگران معتقدند که در آينده از اين روش مي‌توان براي تمايز سلول‌هاي ديگر از جمله سلول‌هاي نوروني، اليگودندروسيت، کارديوميوسيت و هپاتوسيت استفاده کرد.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 کنترل مورفولوژي نانوساختارهاي آلي  
جيانگ وانگ از دانشگاه فناوري چين جنوبي در گوانگژو نشان داده است که با قالب‌گيري قطره‌اي محلولي از مشتقات اُليگوآرن در حلال‌هاي مختلف، نانوساختارهاي آلي مختلفي همچون ميکروتسمه‌هاي يک‌بعدي و ابرنانوساختارهاي گل‌شکل سه‌بعدي، به شکلي کنترل‌شده و به روش خودآرايي توليد مي‌شوند.

   
رديف بالا: ميکروتسمه‌ها رديف وسط: ساختار گل‌شکل A رديف پايين: ساختار گل‌شکل B  
  توضيح مي‌دهد که ابرنانوساختارهاي گل‌شکل با گلبرگ‌هاي نانومتري يک‌بعدي، دو ويژگي مشخص از خود نشان مي‌دهند که در نهايت، حساسيت بسيار بالا در شناسايي مواد منفجره را به همراه دارد.

او مي‌گويد: «اول اينکه ابرنانوساختارهاي گل‌شکل نسبت به ميکروتسمه‌هاي تک‌بعدي مساحت سطحي بسيار بالايي دارند. نکته دوم اين است که از نقطه نظر مورفولوژي فيلم، ابرنانوساختارهاي گل‌شکل فيلم‌هاي نازکي با تخلخل بسيار بالاتر نسبت به ميکروتسمه‌ها تشکيل مي دهند که اين امر جذب و انتشار مولکول‌هاي ماده مورد تجزيه را تسهيل مي‌کند. اين دو خصوصيت ساختاري موجب مي‌شود ابرنانوساختارهاي گل‌شکل نسبت به ميکروتسمه‌ها حساسيت بالاتري در برابر مواد منفجره داشته باشند».

تحقيقات اين گروه چيني نشان داد که مي‌توان از طريق خودآرايي مولکول‌هاي آروماتيک در محلول، مورفولوژي ساختارها را کنترل نمود؛ اين امر، بُعد جديدي در طراحي مواد فناوري نانو ايجاد کرده و کاربردهاي اين ابرنانوساختارهاي بلوري آلي را در زمينه‌هاي مختلفي همچون حسگرهاي شيميايي، اُپتوالکترونيک، حسگرهاي زيستي، و الکترونيک زيستي توسعه مي‌دهد.

بر اساس گفته وانگ، در اين کار هم فرايند و هم کاربرد توسعه يافته است. از نقطه نظر فرايند، دانشمندان توانسته‌اند ساختارهاي بلوري توليد شده را از نانوتسمه‌هاي يک‌بعدي به ابرساختارهاي سه‌بعدي تغيير دهند (با استفاده از يک مولکول آلي در حلال‌هاي مختلف). وانگ مي‌گويد: «اين اولين بار است که از روش آسان قالب‌گيري قطره‌اي براي ايجاد ساختارهاي پيچيده با مورفولوژي کنترل‌شده استفاده مي‌شود. اين فرايند نه تنها آسان و ارزان است (هيچ نيازي به دماي بالا، خلأ بالا، يا الگوهاي پيچيده نيست)، بلکه شامل هيچ نوع واکنش شيميايي نبوده و در نتيجه از ورود ناخالصي‌ها هنگام خودآرايي مولکول‌ها جلوگيري مي‌شود. اين امر خلوص ميکرو و نانوساختارهاي توليد شده را تضمين مي‌کند». از منظر کاربرد، استفاده از اين ابرنانوساختارها در حسگري شيميايي موجب بهبود قدرت شناسايي DNT/TNT مي‌شود.

وانگ مي‌گويد با تغيير ساختارهاي توليد شده از ميکروتسمه‌هاي يک‌بعدي به ابرنانوساختارهاي گل‌شکل، سرعت تشخيص 2و4 دي نيترو تولوئن و تري نيترو تولوئن 700 برابر افزايش مي‌يابد.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]  

 ارتقاي کارايي پيل سوختي به‌وسيله‌ي فناوري نانو 

به‌تازگي گروهي از دانشمندان از INRS در کانادا روشي ساده براي ساخت نانوسيم‌هاي پلاتيني تک‌بلوره در فاز آبي و در دماي اتاق ابداع کرده‌اند. در اين روش مقرون‌به‌صرفه، اين نانوسيم‌ها بر روي زيرلايه‌اي از نانوکره‌هاي دوده (کاتاليستي که معمولاً در پيل‌هاي سوختي استفاده مي‌شود) ساخته مي‌شوند.

پيل‌هاي سوختي مدرن اين قابليت را دارند تا صنعت حمل ‌و نقل را متحول کنند. وسايل نقليه‌ي داراي پيل سوختي مانند وسايل نقليه‌ي الکتريکي باتري‌دار نيروي محرکه‌ي خود را از موتورهاي الکتريکي مي‌گيرند. پيل‌هاي سوختي مورد استفاده در اين خودروها، ابزارهاي الکتروشيميايي‌اي هستند که انرژي شيميايي يک سوخت را بدون احتراق و با بازده بالايي، مستقيماً به انرژي الکتريکي تبديل مي‌کنند.

يکي از گونه‌هاي ممتاز پيل سوختي که مشخصاً براي کاربردهاي حمل‌ و نقل ابداع شده‌است، پيل سوختي غشايي مبادله‌ي پروتون (PEMFC) است که پيل سوختي غشايي الکتروليتِ پوليمري نيز ناميده مي‌شود. اين پيل‌هاي سوختي از طريق واکنش اکسايش الکتروشيميايي هيدروژن و کاهش الکتريکي اکسيژنِ هوا راه‌اندازي مي‌شوند. اين پيل‌هاي سوختي در دماهاي نسبتاً پايين (کمتر از ۱۰۰ درجه‌ي سانتي‌گراد) کار کرده و به همين دليل، به کاتاليست‌هايي نياز دارند که در پتانسيل بالا، جريان‌هاي سودمندي توليد کنند (اين نياز در الکترود کاتد شديدتر است). هم‌اکنون در اکثر نمونه‌هاي آزمايشي PEMFCها از الکتروکاتاليست‌هاي پلاتيني استفاده مي‌شود، البته قيمت اين فلز به‌دليل عرضه‌ي محدود آن، گران و ناپايدار است و اين امر، يکي از موانع اصلي در تجاري‌سازي PEMFCها به‌شمار مي‌رود.

  



  


گرچه فناوري نانو با استفاده از نانوکامپوزيت‌ها، الکتروکاتاليست‌هاي غير پلاتيني کارامدتر و غشاهاي پردوام‌تر و مقاوم‌ در برابر حرارت، نويدبخش ظهور مواد دوقطبي ارزان در آينده‌ي نزديک است؛ همچنان پلاتين يکي از موانع موجود بر سر راه تجاري‌سازي PEMFCها محسوب مي‌شود. لذا وزارت انرژي ايالات متحده (DOE) به‌منظور استفاده از پلاتين در PEMFCها براي بخش خودروسازي حداکثرهايي را تعيين کرده‌است.

دکتر جين‌پول دودلت که همراه با گروهش، اين روش را ابداع کرده‌اند، مي‌گويد: «به‌منظور رسيدن به اين حداکثر‌ها، لازم است تا عملکرد کاتاليست‌هاي پلاتيني پيل سوختي را ارتقا دهيم؛ به‌ويژه در کاتد که واکنش کاهش اکسيژن (ORR) در آن کند است، مي‌توان اين کار را با ادغام پلاتين با يک يا چند فلز ديگر انجام داد. از سوي ديگر، تحقيق ما نشان داده‌است که مي‌توان عملکرد پلاتين در الکتروکاتاليزکردنِ ORR را با استفاده از نانوسيم‌هاي پلاتيني به جاي نانوذرات پلاتيني متداول، ارتقا داد.»

استفاده از نانوکره‌هاي کربني به‌عنوان زيرلايه موجب شده‌است تا اين روش، روش مقرون‌به‌صرفه‌اي براي رشد نانوسيم‌هاي پلاتيني محسوب شود. نانوساختارهاي حاصله (که در آنها يک نانوکره‌ي دوده در مرکز قرار گرفته و نانوسيم‌هاي پلاتيني به صورت شعاعي از روي سطح آن رشد مي‌کنند) در ORR، نسبت به يک کاتاليست پلاتين/کربن مدرن (ساخته‌شده از نانوذرات پلاتين) عملکرد کاتاليستي بهتري دارند.

اين محققان تصديق مي‌کنند که سازوکارهاي رشد نانوسيم‌هاي شاخه‌‌شکلِ پلاتيني کاملاً شناخته‌شده نيست؛ با اين حال، مي‌توان طول اين نانوسيم‌ها را از طريق تنظيم زمان کاهشِ مواد اوليه‌ي پلاتيني، کنترل کرد، همچنين مي‌توان چگالي نانوسيم‌ها را بر روي نانوکره‌هاي کربني از طريق تنظيم نسبت وزن مواد اوليه‌ي پلاتيني به وزن کربن، کنترل نمود.

دودلت افزود: «ما مشاهده کرديم که کاتاليست نانوسيمي پلاتيني ما از نظر فعاليت جرمي در مقايسه کاتد تجاري، ۵۰ درصد فعال‌تر است، اين در حالي است که مساحت سطح پلاتين در کاتاليست نانوسيمي، ۵۰ درصد کمتر از مشابه تجاري خود بود. با در نظر گرفتن هر دو عامل، در محاسبات نشان داده شد که در شرايط يکسان، عملکرد کاتاليست نانوسيمي در ORR، سه ‌برابر بهتر از عملکرد کاتد تجاري است.» وي گفت که در آينده، نانوسيم‌هايي از جنس آلياژهاي پلاتين (ادغام‌شده با آهن، مس يا نيکل) را مورد بررسي قرار خواهند داد.

نتايج اين تحقيق در نشريه‌ي Advanced Materials به چاپ رسيده‌است.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 توليد پيل‌هاي خورشيدي ارزان با فيلم پليمري نانوساخت 
ما نمي‌دانيم که تحقيقات بنيادي از کجا شروع شده است؛ اما براي دهه‌هاي متمادي دانشمندان علم مواد آزمايش‌هاي خود را با پليمري‌که ساختاري شبيه درب بطري بازکن داشت، انجام مي‌دادند و آن‌را يک مارپيچ (gyroid) ناميدند. امروزه گروهي از محققان بين‌المللي نشان دادند که اين ساختار مارپيچي مي‌تواند به‌عنوان يک پيل فتوولتائيک کم هزينه‌ي خودآرا مورد استفاده قرار بگيرد.


   
يک پيل خورشيدي خودآرا از يک پليمر مارپيچ يشکل و از پليمر ديگري که مکمل آن در فضاي اطراف پليمر اول است، تشکيل مي‌شود.  
نمونه‌ي اوليه اصلي، يک پيل خورشيدي Gräetzel تغييريافته است که در آن از يک ماده‌ي رنگ‌زاي آلي که مابين دو رسانا، ساندويچ شده، استفاده شده است. شکل‌گيري هدايت کننده‌ها در ميان ساختار مارپيچي درهم‌‌تنيده، امکان عبور و انتقال مؤثر را به جريان مي‌دهد. اولين پيل اين گروه (که در يک فيلم با ضخامت 400 نانومتر ساخته شد) داراي بازده تبديل بين 7/0 تا 7/1 درصد بود که در مقايسه با فتوپيل‌هاي برپايۀ سيليکون، کم بود. پروفسور ويسنر از دانشگاه کمبريج، گفت: « مرحلۀ بعدي ضخيم کردن اين فيلم نازک است تا نور بيشتري به فيلم برخورد کند». او افزود: « ما اميدواريم که نهايتاً به بازده پيل‌هاي برپايهِِ‌ِِي سيليکون برسيم.» هم‌‌اکنون پيل‌هاي خورشيدي بر پايه‌ي سيليکون نزديک به 15درصد از انرژي نوري‌ را که به اين پيل‌ها برخورد مي‌کند، به الکتريسيته تبديل مي‌کنند.


   
تصوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي يک پيل خورشيدي فيلم نازک  
ساختار مارپيچي (gyroid) يکي از چهار ساختار شناخته‌‌شده‌اي است که توانايي خودآرايي داشته و براي ساخت آن از کوپليمرهاي بلاک در مقياس نانومتري استفاده مي‌شود. يک پليمر از مولکول‌هايي آلي تشکيل شده است که به يکديگر زنجير شده، ماده‌ي جامد يا نيمه‌جامدي را مي‌سازند. يک کوپليمر بلاک از پيوند دو مولکول ايجاد مي‌شوند که اين پيوند از دو انتها صورت بگيرد؛ بنابراين وقتي آنها زنجيره‌هايي را تشکيل مي‌دهند، يکي از آن مولکول‌ها الگوي نانومقياسي را با تکرار اشکال هندسي( مسطح، کروي، استوانه‌اي يا مارپيچي) ايجاد مي‌کند و مولکول ديگر فضاي خالي مابين را پر مي‌کند.

چندين سال پيش گروه پروفسور ويسنر نشان دادند اگر در ساختار کوپليمر بلاک که در آن يکي از پليمرها هادي يون‌ها باشد، اين ساختار مارپيچي درهم تنيده، يک رساناي مؤثر است. براي استفاده از اين امکان در پيل‌هاي خورشيدي، محققان يک فيلم کوپليمر مارپيچي را تهيه کردند و پس از آن سپس پليمر بخش مارپيچي را از بين بردند که قالب مارپيچي شکلي باقي ماند که آن‌را با استفاده از اکسيد تيتانيوم پرکردند، سپس با حرارت دادن پليمر ديگر را از بين بردند و يک ساختار کريستالي از اکسيد تيتانيوم جامد که هادي الکترون‌ها بود، تشکيل شد. اين ساختار با يک مادۀ رنگ‌زاي حساس به نور، روکش شد و فضاي اطراف اين ساختار با ماده‌اي پر شد که هادي بار مثبت بود.

برخورد نور با ماده‌ي رنگ‌زا باعث مي‌شود الکترون آنها از دست رفته، به‌سوي قاب اکسيد تيتانيومي جريان پيدا مي‌کنند؛ اين در حالي است که حفرات به‌سوي رساناي ديگر جريان پيدا مي‌کنند. الکترودهاي بالا و پايين فيلم، حامل جريان نهايي خواهند بود. راز پيل‌هاي خورشيدي اين است که جفت‌هاي الکترون- حفره بايد سطحي مشترک ميان دو رسانا به‌اندازۀ 10 نانومتر (در حدود عرض 30 اتم) پيدا کنند؛ بنابراين آنها مي‌توانند از يکديگر جدا شده، جريان پيدا کنند و يا مجدداً با يکديگر ترکيب شوند. پروفسور ويسنر گفت: «کوپليمرهاي بلاک مهيج هستند، به دليل اينکه مقياس طول مشخصۀ جدايش دو بلاک در همين حدود است. نتايج کار اين محققان در مجله‌ي Nano Letters به چاپ رسيده است.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 پيشرفت محققان در حسگرهاي الکترومکانيکي نانومقياس 

آپارااورآاو پروفسور فيزيک دانشگاه کلمسون و گروهش، در حال تحقيق روي پايه‌هاي نانومقياسي هستند که توانايي تشخيص مواد شيميايي و يا گازهاي سمي موجود در هوا و هشدار دادن آن به ما را داراست.

با قرار دادن آنها (به‌عنوان هشداردهنده‌هاي شيميايي در زماني مناسب) درون يک وسيله‌ي کوچک گيره‌مانند، مي‌توان از آنها در جنگل‌ها، در صنعت، در بخش مراقبت‌هاي پزشکي و حتي در منازل استفاده کرد. توانايي ساخت قطعات بسيار کوچکي که اين کار را انجام دهد، مطلبي است که تا به امروز ما فقط در فيلم‌هاي تخيلي مشاهده کرده‌ايم. اين قطعات با پهناي موي سر انسان و يا حتي کوچک‌تر، هستند؛ مانند لرزانک‌‌هايي که در مقياس ميکرو و نانو در ميکروسکوپ الکتروني استفاده مي‌شوند و به شکل تخته‌ي شيرجه‌ي باريکي به نظر مي‌رسند.

محققان به پيشرفت‌هايي در زمينه‌ي لرزانک‌هاي در حال نوسان که شبيه يک سيستم گيتار نوسان مي‌کنند و دامنه و فرکانس را تحت شرايط گوناگون اندازه‌گيري مي‌کنند، دست يافته‌اند و با تکيه بر اين پيشرفت حسگرهاي را ايجاد کرده‌اند که از قابليت اعتماد بالايي برخوردار است و پيغام وجود خطر در هوا را منتشر مي‌کند. روش مرسوم براي حسگرها شامل يک روش نوري است که از يک باريکه‌ي ليزر نسبتاً حجيم و گران‌قيمت استفاده مي‌کند که قابليت استفاده در لرزانک‌ها را به‌عنوان انتقال‌دهنده‌ي نانومقياس ندارد.

روش جديدي که اين گروه استفاده مي‌کنند، روشي کاملاً الکتريکي است. در اين روش از يک ولتاژ AC ضعيف براي ايجاد لرزش در لرزانک‌ ، و يک مدار ساده‌ي الکترونيکي که مي‌تواند هر تغييري را که در لرزش ايجاد مي‌شود با استفاده از گازهاي شيميايي و يا عامل‌هاي بيولوژيکي تشخيص دهد استفاده شده است. اين روش در ابزارهاي نگهدارنده که در هنگام تشخيص گاز و سطوح شيميايي به‌صورت صداي هشداردهنده و يا روشنايي مختصري نمايان مي‌شود، پيشرفت‌هايي ايجاد کرده‌ است. کاربردهاي اين روش بسيار متفاوت است؛ علاوه ‌بر تشخيص همزمان گونه‌هاي مختلف سموم موجود در محيط، اين حسگرهاي الکترومکانيکي به‌عنوان نمايشگر تغييرات اندازه‌گيري شده در رطوبت و دما نيز استفاده مي‌شوند.

نتايج اوليه مشخص مي‌کند که اين نوع حسگر کاملاً الکتريکي بسيار حساس است؛ به گونه‌اي که مي‌تواند بين گاز هيدروژن و دوتريم (که ايزوتوپ‌هاي مشابهي از يک گاز هستند) تفاوت قائل شود. از آنجا که فرايند به‌طور کلي الکتريکي است، محدوديت اندازه (که يکي از عوامل ايجاد مشکل در روش‌هاي تشخيص مقايسه‌اي است) در اين روش مشکلي ايجاد نمي‌کند. ابعاد لرزانک ممکن است تا ابعاد نانو کوچک شوند و عملگرهاي الکترونيکي نيز امکان جايگزيده شدن در يک تراشه‌ي بسيار کوچک را دارند.

تحقيقات انجام‌شده به‌وسيله‌ي رآاو، نشان داده‌اند که يک نانولوله‌ي کربني مي‌تواند به‌عنوان يک لرزانک لرزان عمل کند. رآاو با اعتبار دادن به کار اسکومالکرلم (پروفسور بازنشسته‌ي کلمسون وکسي که اندازه‌گيري فرکانس رزونانس يک سگدست در هارمون‌هاي دوم و بالاتر را کشف کرد)، پديده‌ي معروف به توان پارازيت، که يک پيش‌زمينه‌ي نامطلوب است و باعث مبهم شدن سيگنال‌ها مي‌شود و يک مانع اصلي در پيشرفت‌هاي فناوري مشابه بوده است، را برطرف نموده است. زماني‌که فرکانس رزونانس براي اين، هارمون‌هاي بالاتر را به‌کار بيندازند، سيگنال‌هاي بسيار کامل به‌دست مي‌آيد. اين امر باعث ايجاد تفاوتي عمده مي‌شود و مؤسسه‌ي ملي استانداردها و فناوري مايل است که از اين روش کلمسون به‌عنوان روشي براي اندازه‌گيري ميزان سختي لرزانک‌ها استفاده کند.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 تحقق اهداف ابررسانايي از طريق قرار دادن تنگستن در درون نانوماتريس  

قرار دادن تري‌اکسيد تنگستن در درون يک ماتريس نانومتخلخل مانند اوپالِ معکوسِ کربني، کاغذ نانولولة کربني يا اسفنج پلاتيني و متعاقب آن، جاي ‌دادن يون‌هاي قليايي به اين ساختار مي‌تواند روشي براي تحقق اهداف ابررسانايي باشد. علي علي‌اف و همکارانش از دانشگاه تگزاس در دالاس ايالات متحده آمريکا در نمونه‌هاي متعددي از مواد( LixWO3–y و NaxWO3–y) و در محدودة دمايي ۱۲۵ تا ۱۳۲ درجة کلوين، رفتارهاي مغناطيسي و الکتريکي غير معمولي‌اي را مشاهده کرده‌اند.
علي‌اف اشاره کرد که نتايج منتشرشدة اين گروه تطابق کمي با ابررسانايي دارد؛ اما آنها به‌شدت در تلاشند تا به نتايج بهتري در اين خصوص دست يابند و به مادة خود، بسيار اميدوارند. وي گفت:«مساحت سطح بسيار زياد ذرات تنگستن‌ برنز(که به اوپال‌هاي کربني معکوسِ پوسته‌شکل، با ظرفيت گرمايي بسيار کوچک و رسانايي حرارتي پايين، اضافه مي‌شوند) مي‌تواند در بسياري از حسگرها مانند SQUIDها، بولومترهاي IR و ابزارهاي کليدزني نانويي براي آشکارسازي ميکروويو در MRI، استفاده شود.»
اين محققان از طريق غوطه‌ور ساختن يک ساختار آزمايشي ميله‌شکل در اسيدپروکسوتنگستيک، لاية اکسيد تنگستن را بر روي ماتريس متخلخل ميزبان رسوب‌دهي کردند، سپس با استفاده از يک خلأ، تلاش کردند تا محلول به عمق شبکة نانومتخلخل نفوذ کند. اين فرايند غوطه‌وري، براي دستيابي به ضريب پرکنندگي بالاتر، حداقل چهار تا پنج بار تکرار مي‌شود. پس از هر بار نفوذ، اجازه داده مي‌شود تا مادة آزمايش به مدت ده دقيقه در دماي اتاق خشک شود و پس از آن به مدت ۳۰ دقيقه در دماي ۱۳۰ درجة سانتي‌گراد سخت مي‌گردد و به اين شکل، لاية رسوب‌دهي‌شده بر روي سطح ميزبان، اصلاح و پايدار مي‌شود.
جاي‌ دادن الکتروشيميايي، از طريق اتصال ماتريسِ غني‌شده با تنگستن به دستگاهي با سه ‌الکترود که داراي الکتروليت‌هاي مختلف است، انجام مي‌گيرد. در اين بررسي، رفتار مغناطيسي و الکتريکي‌ مواد به دست‌آمده حاکي از آن بود که ممکن است ابررسانايي نفوذنکردة موضعي(localized non-percolated superconductivity) ايجاد شده‌ باشد؛ البته هنوز دليل اينکه چرا ماتريس‌هاي نانوساختار قادر به اعمال چنين اثري هستند، در دست بررسي است.
علي‌اف توضيح داد:«رفتار حالت‌هاي الکترونيکي‌ ذرات تنگستن ‌برنز‌ که تحت برانگيختگي نوري قرار گرفته‌اند، امکان وجود يک ساز و كار دو قطبشي را در جفت‌ شدگي الکترون مطرح مي‌کند. در اين نانوساختار، شايد حبس ‌شدگي کوانتومي حامل‌ها در جزيره‌هاي کوچک(۱۰ تا ۱۵ نانومتر) به جداسازي چگالي حالت‌هاي شبه‌ذره‌اي منجر شود و اين پديده مي‌تواند دليل افزايش کوچک در دماي گذار ذرات تنگستن‌برنز باشد. اين مقدار، براي تنگستن ‌برنز بزرگ‌مقياس ۹۱ درجة کلوين، و براي تنگستن ‌برنز نانوساختار ۱۲۵ درجة کلوين است. وي افزود:«من معتقدم در زير حدود پنج نانومتر، به‌دليل نبود هيچ حالتي در اطراف باندگپ، ابررسانايي به‌کلي حذف مي‌شود.»
نتايج اين تحقيق در نشرية Superconductor Science and Technology به چاپ رسيده‌است.

  



[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 آرايش سه‌بعدي نانولوله‌ها در مقياس وسيع براي قطعات الکترونيکي نانومقياس 
   
  
   

در چند سال اخير محققان تلاش کرده‌اند از رسانايي الکتريکي خوب نانولوله‌ها در ساخت ابزارهاي الکترونيکي نانومقياس بهره ببرند.يکي از بزرگ‌ترين چالش‌ها در اين مسير يافتن راهي براي آرايش و منظم کردن نانولوله‌ها به شکل يک ساختار سه‌بعدي براي حمل جريان در ابزارهاي نانومقياس است.
اخيراً گروهي از فيزيک‌دانان و مهندسان موسسه تحقيقات مواد الکترونيکي در دانشگاه نورث ايسترن در بوستون، ماساچوست، روشي براي آرايش نانولوله‌ها با استفاده از يک ميدان الکتريکي يافته‌اند. اين محققان توانستند با استفاده از اين روش نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره را درون نانوحفرات عميق يک بستر آلوميناي نانوحفره‌اي وارد کرده و ساختارهاي سه‌بعدي از آنها درست کنند. به طور متوسط در هر حفره يک نانولوله قرار گرفته و با روبش سطحي به مساحت 32/0 سانتي‌متر مربع، بيش از يک ميليون نانولوله درون حفرات جاي داده شدند.
سرينيواس سريدار، مدير موسسه تحقيقات مواد الکترونيکي مي‌گويد: «بيشترين اهميت اين روش در اين است که امکان توليد اتصالات الکتريکي سه‌بعدي متشکل از نانولوله‌هاي کربني تک‌ديواره را با سرعت بالا و در مقياس وسيع، بدون نياز به سنتز دماي بالا فراهم مي‌آورد».
محققان براي به دست آوردن اين ساختار، يک الکترود مثبت را به ته يک بستر سيليکايي متصل کرده و سپس بستر آلومينايي را روي آن قرار دادند. سپس به صورت دستي يک الکترود منفي را در محل‌هاي آرايش به صورت روبشي حرکت داده و در نتيجه نانولوله‌هاي کربني داراي بار منفي را به درون حفرات بستر آلومينايي هل دادند. فرايند استفاده از ميدان الکتريکي براي حرکت دادن اشياي باردار، الکتروفورز ناميده مي‌شود. همچنين دي‌الکتروفورز به فرايندي اطلاق مي‌شود که در آن يک ميدان الکتريکي غيريکنواخت، اشياي باردار يا بدون بار را به حرکت در‌مي‌آورد. از اين فرايند در جهت دادن نانولوله‌ها به سمت حفرات استفاده شد.
محققان پس از آرايش نانولوله‌ها، لايه‌اي از طلا به ضخامت 15 نانومتر را روي بستر آلومينايي به روش اسپاتر نشاندند، به نحوي که اين لايه طلا در تماس با بالاي نانولوله‌ها قرار گرفت. اين لايه طلا اتصال الکتريکي ميان نانولوله‌ها را تکميل نموده و بدين ترتيب امکان انتقال جريان الکتريکي ميان لايه طلا و سيليکون از طريق نانولوله‌ها ايجاد شد.
در نمونه شاهد که هيچ نانولوله‌اي در آن قرار داده نشده بود، هيچ جرياني ميان دو لايه جاري نشد و اين امر انتقال جريان از طريق نانولوله‌ها را ثابت مي‌کند. در اين روش به دماهاي بالا نيازي نبوده و مي‌توان سطوحي در مقياس سانتي‌متري را با آن پوشش داد.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 ساخت ترازوي نانومتري با نانولوله‌هاي کربني  


  


محققان دانشگاه دلفت نشان دادند که نانولوله‌ها مي‌توانند به صورت فنرهايي عمل کنند که حرکت خودشان را تشخيص مي‌دهند. آنها براي اين منظور، ابزارهاي بيلچه مانندي (paddle-shaped) از نانولوله‌هاي کربني ساختند که با تغيير ولتاژ گيت، در دو حالت کاملاً متفاوت نوسان مي‌کرد.

نانولوله‌هاي کربني گزينه‌هاي ايده‌الي براي ساخت حسگرهاي جرمي و استفاده در سامانه‌هاي ميکروالکترومکانيکي هستند. به دليل قطر کوچک اين ساختارها، تغييرات بسيار کوچک در آنها، مثل خمش يا پيچش ناشي از نشاندن يک جرم کوچک بر روي آنها، مي‌تواند خواصشان را تحت تأثير شديد قرار دهد. تغيير در خواص الکترونيکي نانولوله‌ها بر اثر اعمال فشار، مي‌تواند در کاربردهاي حسگري مورد استفاده قرار گيرد.

محققان دانشگاه دلفت، از نانولوله‌هاي آويزان به صورت فنرهايي انعطاف‌پذير در يک ابزار بيلچه مانند براي تشخيص لرزش‌هاي مکانيکي استفاده کردند. آنها دريافتند که نوسان نانولوله‌ها را مي‌توان با تغيير ولتاژ جريان DC در الکترود گيت اين دستگاه تنظيم کرد.

اين تيم، دو نوع رفتار وابسته به ولتاژ را در اين نوسان‌کننده تشخيص دادند: وقتي ولتاژ گيت افزايش مي‌يافت، نوسان در فرکانس‌هاي بالاتر انجام مي‌شد و هنگامي که ولتاژ کاهش داشت، در فرکانس‌هاي پايين تر. طبق يافته‌هاي اين تيم، نوسان نوع اول به اين علت است که بيلچه‌ي مذکور، نسبت به گيت عقب و جلو مي‌رود و نوسان نوع دوم نيز ناشي از چرخش بيلچه به دور محور نانولوله است.

فنرهاي نانولوله‌اي ثابت پيچش فنري کمتري نسبت به نوسان کننده‌هاي متعارف سيليکوني دارند، به اين معني که راحت‌ترپيچ مي‌خورند. اين مي‌تواند آنها را براي مصارف حسگري بسيار مناسب سازد.

نتايج اين پژوهش در مجله‌ي Applied Physics Letters منتشر شده است.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 مشاهده عملکرد نانوکاتاليست‌هاي نانومقياس  


  


محققان کرنل يک روش ميکروسکوپي ابتکاري را توسعه داده اند که از آن براي مشاهدۀ رفتار نانو‌ذرات منفردِ يک کاتاليست، با قدرت تفکيک‌پذيري رويدادهاي کاتاليستي منفرد استفاده مي شود. مشاهده‌هاي آنها نشان مي‌دهند که همة نانوذرات يک کاتاليست عملکرد يکساني ندارند و بعضي از آنها واکنش‌هاي خود را در راه‌هاي متفاوت از ديگران انجام مي‌دهند. اين محققان همچنين به‌طور مستقيم مشاهده کرده‌اند که هر نانوذره سرعت واکنش کاتاليستي خود را با زمان تغيير مي‌‌دهد و آنها اين مقياس زماني را اندازه‌گيري کرده‌اند.


موقعي که مولکول رنگ‌دانه resazurin (روي نوک ذره) به نانوذره متصل مي‌شود، با حذف يک اتم اکسيژن، به resorufin بسيار فلورسانت تغيير مي‌يابد. resorufin تحت نور ماوراءبنفش تابش مي‌کند.
اين مشاهده‌ها در نانوکاتاليست‌ها براي کاربردهايي از قبيل پيل‌هاي سوختي و حذف آلاينده‌ها بسيار جالب هستند. پنگ‌چن، يکي از اين محققان گفت: "درک اصول اساسي حاکم بر فعاليت کاتاليستي مي‌تواند ما را در طراحي کاتاليست‌هاي هوشمندي که ميتواند خود را با شرايط مختلف وفق دهد، کمک کند.
اين محققان نانوذرات کروي طلا با قطر حدود 6 نانومتر را روي يک سطح شيشه‌اي تثبيت کرده‌اند و محلولي از يک رنگ‌دانه را روي آنها جاري ساخته‌اند. آنها مشاهده کردند که اين نانوکاتاليست طلا مولکول‌هاي رنگ‌دانه را به شکل فلورسانتي جديدي تغيير مي‌دهد. اين محققان با استفاده از يک ميکروسکوپ که روي يک سطح خيلي نازک متمرکز مي‌شود، با هر 30 ميلي‌ثانيه يک فريم، فيلمي ساختند.
هر مولکول رنگ‌دانه جايي که يک اتم اکسيژن حذف مي‌شود، با سطح طلا پيوند ضعيفي ايجاد مي‌کند. اين مولکول جديد شفاف(فلورسانس)مي‌شود و نور درخشنده‌اي در تصوير ميکروسکوپي نمايان مي‌شود که تا رها شدن اين مولکول از سطح کاتاليست باقي مي‌ماند. اين محققان موفق شدند تا اين نورهاي درخشنده را از نانوذرات منفرد از يکديگر مجزا و رويدادهاي کاتاليستي منفرد را شناسايي کنند.
آنها دو الگوي واکنشي نسبتاً متفاوت مشاهده کردند: روي بعضي از نانوذرات اين مولکول، رنگ‌دانه پس از پيوند با سطح پيوندداده، تغيير کرده، رها مي‌شود؛ روي بعضي از آنها، اين مولکول بعد از تغيير، به مکان جديدي حرکت کرده و رها مي‌شود؛ و روي بعضي ديگر هر دو نوع واکنش اتفاق مي‌افتد. چن توضيح داد: "اين نانوذرات کاملاً کروي نيستند و قسمت‌هاي متفاوت نانوبلور طلا در مکان‌هاي مختلف روي سطح، در معرض واکنش‌دهنده‌ها قرار دارند که ممکن است دليل اين الگوهاي واکنشي متفاوت باشد."
زمان واکنش‌ها در يک سايت نيز تغيير مي‌کند. زماني که يک مولکول فلورسانت در يک سايت باقي مي‌ماند ممکن است کوتاه باشد، سپس طولاني‌تر شود و دوباره کوتاه شود به گفتة اين محققان دليل اين پديده شايد اين باشد که اين واکنش‌ها سبب نوسازي سطح نانوبلور طلا نيز مي‌شوند که اين امر باعث مي‌شود واکنش‌هاي بعدي سريع‌تر يا آهسته‌تر اتفاق بيفتند. سپس سطح اين نانوبلور طلا ساختار اوليه خود را باز‌يافتة، اين واکنش نيز در زمان اوليه و اصلي خود اتفاق مي‌افتد.
اين محققان گفتند: "براي اولين بار است که توانسته‌ايم مقياس زماني اين نوسازي (ده‌ها تا صدها ثانيه) را به‌دست آوريم.
نتايج اين تحقيقات در مجله Nature منتشر شده‌است.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]

 تشخيص سميت غذاها با استفاده از نانوفيلم اکسيد سريوم 

محققان آزمايشگاه ملي فيزيک در دهلي نو از نانوساختارهاي اکسيد سريوم (توليد شده به روش سل ژل) براي ساخت يک حسگر ايمني جهت شناسايي ميتوتوکسين‌هاي مسموم‌کننده غذا، همچون اُکراتوکسين ای (OTA) بهره برده‌اند.

OTA يکي از فراوان‌ترين ميتوتوکسين‌هاي آلاينده غذاست که در بافت‌ها و اندام‌هاي جاندارن مختلفي يافت شده و در جانوران گوناگون، فعاليت‌هاي مسموم‌کنندگي مختلفي همچون نفروتوکسيک، تراتوژنيک، و سرطان‌زايي دارد. اين ماده عمدتاَ از طريق مصرف غذاي ذخيره‌شده فاسد، وارد بدن انسان شده و موجب ايجاد سرطان مي‌شود. آژانس بين‌المللي تحقيقات سرطان (IARC)، OTA را به عنوان يک ترکيب با احتمال سرطانزايي طبقه‌بندي کرده است که موجب توقف سيستم ايمني بدن مي‌شود.

بانسي مالوترا و همکارانش در گروه تحقيقاتي الکترونيک زيست‌مولکولي و پليمرهاي رسانا، روي يک بستر شيشه‌اي داراي روکش اکسيد قلع-اينديوم (ITO)، نانوفيلمي از جنس اکسيد سريوم به روش غوطه‌وري ايجاد کردند. اين محققان سپس پادتن‌هاي ايمونوگلوبين خرگوش (r-IgGs) و سروم آلبومين گاوي (BSA)را با استفاده از روش جذب فيزيکي روي الکترود توليد شده تثبيت نموده و از اين ابزار براي اندازه‌گيري OTA در محلول استفاده کردند.

مطالعات الکتروشيميايي نشان مي‌دهند که نانوفيلم اکسيد سريوم، مساحت سطحي الکتروفعال را براي تثبيت r-IgGs با جهت‌گيري مطلوب، افزايش داده و موجب افزايش ارتباط الکتروني ميان r-IgGs و الکترود مي‌شود. الکترود توليد شده ويژگي‌هاي بهبوديافته‌اي همچون محدوده خطي وسيع(ng/dL 0/6-5/0)، حساسيت بالا (µA/ng dL–1 cm–2 27/1)، زمان پاسخ‌دهي سريع (30 ثانيه)، و محدوده پايين تشخيص (ng/dL 25/0) داشته و عمر قفسه‌اي آن، 8 هفته است.

مالوترا مي‌گويد: «اين الکترود نسبت به ابزارهاي معمول از مزاياي زيادي همچون هزينه پايين، زيست‌سازگاري، غيرسميت، پايداري بالا و محدوده تشخيص پايين برخوردار است. از اين ابزار مي‌توان براي آزمايش سريع OPA در توليد غذا و نوشيدني‌ها استفاده کرد».

نتايج اين تحقيق در مجله Nanotechnology منتشر شده است.

[External Link Removed for Guests]
[External Link Removed for Guests]