مقدمه
تعریف نانو تکنولوژی: توسعه تحقیقات و فناوری در سطوح اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی با طول تقریبی از 1 تا100 نانومتر، به منظور فراهم آوردن شناخت اصولی از پدیده ها و مواد در مقیاس نانو و با هدف ایجاد و استفاده از ساختارها، قطعات و سیستم هایی که به خاطر اندازه کوچک و یا متوسط خود دارای خواص و عملکردهای جدیدی هستند.
Nano کلمه ای یونانی به معنی کوچک است و برای تعیین مقدار میلیاردم یک کمیت استفاده می شود. چون یک اتم تقریبا 1 نانومتر است نانو برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولکولی بکار برده می شود.
نکته: نانو علم صرفا تحقیق است ولی نانوتکنولوژی کاربرد تحقیقات برای حل مسائل و ساخت مواد جدید است.
تاریخچه
تاریخچه علمی نانو در دنیای علمی به طور جدی از قرن 20 آغاز شد. پیشنهاد اصلی مربوط به نانوتکنولوژی به «ریچارد فایمن» برمی‌گردد که در دهه 1960 به مفاهیم نانو و اهمیت متوجه شد. اما مطالعات اولیه در این زمینه به عهده دانشمندانی چون «ریچارد فایمن»، «نوری تانیگوچی» و «اِریک درکسلر» بود.
مفهوم نانوتکنولوژی توسط «کری اریک دکرکسلر» در دهه 1980 میلادی به مفهوم علمی و فناورانه فرهنگی شد و به طور عمده در دهه‌های بعدی در حوزه‌های مختلف علمی و صنعتی توسعه یافت. این علم به مطالعه و کاربردهای مواد و دستگاه‌ها در ابعاد نانومتری می‌پردازد.
در اواسط دهه 1990، تحقیقات بیشتری در زمینه نانوتکنولوژی آغاز شد و نقشه راه‌های اجرایی برای پیشبرد این حوزه از علم و فناوری تدوین شد. این تحقیقات در حال حاضر به ایجاد مواد نانوساختار، ابزارهای تحقیقاتی و کاربردهای گسترده‌تری از جمله الکترونیک، پزشکی، نانوالکترومکانیک و سنسورهای نانومتری منجر شده‌اند.
اهمیت نانو ابعاد
ترکیبات نانـو متری دارای نسبت سطـح به حجم بسیار زیادی هستنـد (حجم کمی دارند اما سطح زیادی را پوشش می دهند ) .
سیستم های ماکروسکوپیک ساخته شده از نانو ساختارها می توانند چگالی بیشتری نسبت به مواد ساخته شده از میکـروساختارها داشتـه باشنـد و همچـنین هـدایت الکتریکی بهتری دارند .
طراحی مواد نانو متری تغییر در خصوصیات ذاتی ماده مانند رنگ ، خواص مغناطیسی، دمای ذوب و … بدون تغییر ترکیبات شیمیایی آن ممکن می شود .
از جمله خصوصیت مواد بیولوژیکی و زنده، سازماندهی منظم آنها در ابعاد نانومتری است و توسعه در زمینه نانو فناوری به ما اجازه خواهد داد که چیزهای نانو ابعادی ساخت بشر را در داخل سلولهای زنده قرار دهیم .
خواص نانو ذرات
با گذر از میکرو ذرات به نانوذرات، با تغییر بر خی از خواص فیزیکی روبه رو می شویم که دو مورد مهم از آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به تدریج با کاهش اندازهء ذره رخ می دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم های واقع در سطح ذره به رفتار اتم های درونی می شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می گذارد.
افزایش سطح، واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد زیرا تعداد مولکولها یا اتمهای موجود در سطح در مقایسه با تعداد اتمها یا مولکولهای موجود در تودهء نمونه بسیار زیاد است، به گونه ای که این ذرات به شدت تمایل به آگلومره یا کلوخه ای شدن دارند. به عنوان مثال در مورد نانوذرات فلزی، به محض قرار گیری در هوا، به سرعت اکسید می شوند. در بعضی مواقع برای حفظ خواص مطلوب نانوذرات، جهت پیشگیری از واکنش بیشتر، یک پایدار کننده را بایستی به آنها اضافه کرد که آنها را قادر می سازد تا در برابر سایش، فرسودگی و خوردگی مقاوم باشند.
البته این خاصیت مزایایی هم در بر دارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزوها و ساختارهایی همچون الکترودها می باشد. به عنوان مثال با استفاده از این خاصیت می توان کارایی کاتالیزورهای شیمیایی را به نحو مؤثری بهبود بخشید و یا در تولید نانوکامپوزیت ها با استفاده از این ذرات، پیوندهای شیمیایی مستحکم تری بین ماده زمینه و ذرات برقرار شده و استحکام آن به شدت افزایش می یابد. علاوه بر این، افزایش سطح ذرات، فشار سطحی را کاهش داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود تغییر در فاصله بین اتم های ذرات و نسبت سطح به حجم بالا در نانوذرات، تأثیر متقابلی در خواص ماده دارد.
تغییر در انرژی آزاد سطح، پتانسیل شیمیایی را تغییر می دهد. این امر در خواص ترمودینامیکی ماده (مثل نقطه ذوب) تأثیر گذار است. به محض آنکه ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. نقاط کوانتومی کریستال هایی در اندازه نانو می باشد که از خود نور ساطع می کنند. انتشار نور توسط این نقاط در تشخیص پزشکی و کشاورزی و…کاربرد های فراوانی دارد. این نقاط گاهی اتم های مصنوعی نامیده می شوند؛
چون الکترونهای آزاد آنها مشابه الکترونهای محبوس در اتمها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می کنند.
علاوه بر این، کوچک تر بودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته بندی، مواد آرایشی و روکش ها مناسب باشند. اخیراً در ساخت شیشه های ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارایی این نوع شیشه ها، عمر آن ها را نیز چندین برابر می کند.
از نانو ذرات همچنین در ساخت انواع ساینده ها، رنگ ها، کاتالیزوها، لایه های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه ها و عینک ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی ها، و در حفاظ های الکترومغناطیسی شیشه های اتومبیل و در و پنجره استفاده شود. پوشش های ضد نوشته برای دیوارها، و پوشش های سرامیکی برای افزایش استحکام سلول های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده اند.
خطرات نانو ذرات
نانوذرات همانند یک شمشیر دولبه دارای اثرات مفید و مضر می باشند.
اثرات مضر بر سلامتی
نانوذرات به دولیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانند برای سلامتی مضر باشند؛ اول اینکه می توانند خیلی سریع از طریق پوست و سلولهای مخاطی جذب بدن شوند و دوم اینکه به دلیل جدید بودن این مواد مسمومیتهای جدید و ناشناخته‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای را به وجود بیاورند.
وقتی مواد در مقیاس نانو تبدیل شوند در خواص شیمیایی، بیولوژیکی و فعالیت‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کاتالیتکی آنها تغییراتی ایجاد می شود. بنابراین موادی که در حالت بالک (توده ای) بی خطر هستند وقتی به حالت نانو تبدیل شوند می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانند سمی و خطرناک باشند. به علاوه اندازه کوچک نانوذرات باعث می شود تا این مواد بتوانند بر سد های دفاعی بدن فائق آیند.
برخی از کاربردهای مهم نانو
1- اثر نیلوفری و کاربرد آن در ساخت سطوح خود تمیز شونده
یکی از شناخته شده ترین مزیت های فناوری نانو اثر نیلوفری است که سطوح خود تمیز شونده را امکان پذیر می سازد به سبب ساختار بسیار صاف و یکنواخت سطح گل نیلوفر قطرات آب و گرد و غبار از روی گلبرگ ها می لغزند بی آنکه اثری روی آنها به جای گذارند بنابر این اگر سطوح اجسام دارای ساختار بسیار صاف و صیقلی( در مقیاس نانو) باشند ذرات آلوده و همچنین آب بر روی آن باقی نخواهد ماند.
2- نانولوله های کربنی
استوانه های توخالی از جنس ورقه های گرافیت، طول از یک تا چند میکرومتر
شکل کشیده شدة اتم های فولرین
این نانولوله ها در هر کاری اعم از ماهیچه های مصنوعی تا پوشش صفحه مانیتور، مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از کشفیات جدید و مهیج در مورد کاربرد این نانولوله ها، استفاده از آنها در لامپ است. پژوهشگران دانشگاه تگزاس، توانسته اند با به کار بردن این نانولوله ها در لامپ، وسایل جدیدی برای تولید روشنایی بسازند. نانولوله ها توانایی بسیار بالایی در انتقال برق از خود نشان می دهند. ولی کربن نانوتیوپس با کیفیت بالا بسیار پرهزینه است و کاربرد آن می تواند توام با اشکالاتی باشد.
3- فیلترهای نانومتری
جمعیت جهان در حال افزایش و منابع آب آشامیدنی رو به کاهش است ; بنابراین ممکن است جهان در آینده با مشکل کمبود آب مواجه شود . افزایش مصرف آب و کمبود حاصل از آن که بر اثر آلودگی نیز تشدید میشود سبب شده است تا تامین آب بهداشتی به یکی از دغدغه های اساسی جامعه جهانی تبدیل شود. امراض ناشی از آلودگی های آب هر روزه هزاران و شاید دهها هزار نفر را می کشد.
توانایی بازیافت آب، امکان دسترسی به یک منبع مناسب برای مصارف گوناگون را ایجاد می کند. فیلتر نمودن آب با فیلتر های نانومتری، تحولی عظیم در بازیافت و استفاده مجدد از آب های صنعتی و کشاورزی ایجاد می کند. فیلتر های فیزیکی با منافذی در حد نانومتر می توانند باکتری ها، ویروس ها و حتی واحدهای کوچک پروتئین را صد در صد غربال کنند.
فهرست مطالب
مقدمه
تاریخچه
جایگاه نسبت به علوم دیگر
اهمیت نانو ابعاد
خواص نانوذرات
خطرات نانو ذرات
کاربرد نانو در صنایع غذایی
زمینه های مهم کاربرد نانو در صنایع غذایی