1. نانوتکنولوژی

2. مقدمه
تعریف نانوتکنولوژی: توسعه تحقيقات و فناوري در سطوح اتمي، مولكولي و ماكرومولكولي با طول تقريبي از 1 تا100 نانومتر، به منظور فراهم آوردن شناخت اصولي از پديده ها و مواد در مقياس نانو و با هدف ايجاد و استفاده از ساختارها، قطعات و سيستم هايي كه به خاطر اندازه كوچك و يا متوسط خود داراي خواص و عملكردهاي جديدي 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.

4. تاریخچه قدمت علم نانو به شروع حیات روی کره زمین برمی گردد.
جانوران نرم تن صدف دار و حلزون ها، صدفهای بسیار سختی را می سازند که در واحد های نانو ساختاری بسیار محکم به یکدیگر متصل شده اند.
قرن چهارم پس از میلاد: شیشه سازان رومی شیشه هایی حاوی فلزات نانو مقیاس می ساختند.
قرن 18 و 19: فناوری عکاسی که وابستگی کاملی به ذرات بسیار ریز نقره دارد، توسعه یافت.
البته ایده نانو توسط « ريچارد فايمن» با طرح چهار سئوال زیر كه در یک سمينار عنوان كرد به صورت علمی در جوامع علمی مطرح شد:
1- آيا ميتوان اتمها را جابجا كرد؟(مثلا جاي اتم Aرا با اتم B عوض كنيم.)
2- آيا مي شود ماشينهاي بسيار بسيار كوچك درست كرد؟(مثلا با چند اتم...)
3- آيا ميتوانيم سيم هايي درست كنيم كه از اتم ساخته شده باشند؟
4- آيا قوانين فيزيك در برابر اين جزئيات مقاومت مي كنند؟

5. جایگاه نسبت به علوم دیگر
بیولوژی
مهندسی
نـــانو
فیزیک
شیمی
در واقع فناوری نانو رشته ای جدید نیست
بلکه رویکردی جدید و میان رشته ای به فناوری های موجود است. 5

6. 11/9/2018 6:02:41 PM
اهميت نانو ابعاد
ترکيبات نانـو متري داراي نسبت سطـح به حجم بسيار زيادي هستنـد (حجم کمي دارند اما سطح زيادي را پوشش مي دهند ) .
سيستم هاي ماکروسکوپيک ساخته شده از نانو ساختارها مي توانند چگالي بيشتري نسبت به مواد ساخته شده از ميکـروساختارها داشتـه باشنـد و همچـنين هـدايت الکتريکي بهتري دارند .
طراحي مواد نانو متري تغيير در خصوصيات ذاتي ماده مانند رنگ ، خواص مغناطيسي، دماي ذوب و ... بدون تغيير ترکيبات شيميايي آن ممکن مي شود .
از جمله خصوصيت مواد بيولوژيکي و زنده، سازماندهي منظم آنها در ابعاد نانومتري است و توسعه در زمينه نانو فناوري به ما اجازه خواهد داد که چيزهاي نانو ابعادي ساخت بشر را در داخل سلولهاي زنده قرار دهيم .

7. خواص نانوذرات
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.

8. البته این خاصیت مزایایی هم در بر دارد
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؛

9. 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 نانوذرات 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.

10. سطح يک ميليون بار بيشتر سطح 8 ميليون بار بيشتر دفعات تقسيم تعداد تکه
11/9/2018 6:02:41 PM
دفعات تقسيم
تعداد تکه
ابعاد (متر)
سطح خارجي (متر مربع) 1
0.01
0.0006 8
0.005
0.0012 2 64
0.0025
0.0024 3
512
0.0048 4
4096
0.0096 5
32768
0.0192 6
262144
0.0384 7
0.0768
E-05
0.1536 9
E-05
0.3072 10
E-06
0.6144 11
E-06
1.2288 12
E-06
2.4576 13
E+11
1.2207E-06
4.9152 14
E+12
E-07
9.8304 15
E+13
E-07 16
E+14
E-07 17
2.2518E+15
E-08 18
E+16
3.8147E-08 19
E+17
E-08 20
E+18
E-09 21
E+18
E-09 22
7.3787E+19
E-09 23
E+20
E-09
سطح يک ميليون بار بيشتر
سطح 8 ميليون بار بيشتر

11. تغيير نقطه ذوب طلا با تغيير شعاع ذره
1064 Cتوده طلا دماي ذوب
 C دماي ذوب
شعاع ذره (نانومتر) 11

13. عمده اتمها داخل ماده هستند. عمده اتمها در سطح ماده هستند.
در مقياس ماکرو
در مقياس نانو
عمده اتمها داخل ماده هستند.
عمده اتمها در سطح ماده هستند.
تغيير اندازه اثر کمی بر افزايش اتمهای سطحی دارد.
تغيير اندازه اثر خيلی زيادی بر افزايش اتمهای سطحی دارد.
نقطه ذوب وابسته به اندازه ذره نيست.
نقطه ذوب با کاهش اندازه ذره کاهش می يابد.

14. خطرات نانو ذرات اثرات مضر بر سلامتی
نانوذرات همانند يک شمشیر دولبه دارای اثرات مفید و مضر می باشند.
اثرات مضر بر سلامتی
نانوذرات به دوليل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانند برای سلامتی مضر باشند؛ اول اينکه می توانند خيلی سریع از طریق پوست و سلولهای مخاطی جذب بدن شوند و دوم اينکه به دليل جدید بودن اين مواد مسموميتهای جدید و ناشناخته‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای را به وجود بياورند.
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.

15. 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.

16. سطوحی كه خود به خود تميز مي‌شوند

17. 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.

18. 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.

19. مقايسه قيمت نانو ذرات مختلف
TNO Nanocomposites: Past, present and future, TNO Institute of Applied Physics TPD),

20. کاربرد نانو در صنایع غذایی
کاربرد نانو در غذا ها بدین صورت است که امکان اعمال تغییر در مواد غذایی آماده و اضافه کردن افزودنی های مورد نظر در اندازه های بسیار ریز و دستکاری محتویات فیزیکی مواد غذایی است. در مقیاس نانو مولکول های بیشتر از قوانین کوانتوم پیروی می کنند تا از قوانین فیزیک در مقیاس بزرگ. ترکیبات غیر قابل حل در آب یا روغن در مقیاس نانوبه راحتی حل می شوند، حتی این امکان وجود دارد که موادی که عموما پس از مصرف در معده آزاد می شوند. به صورت آزادنشده به طرف روده هدایت شوند و از آنجا مستقیما جذب شده و وارد گردش خون شوند به خصوص در مورد افزودن مواد غذایی ای مانند ویتامین ها و املاح معدنی.

24. زمینه های مهم کاربرد نانو در صنایع غذایی
استفاده در بسته بندی مواد غذایی
تغییر بافت ترکیبات غذا
کپسوله کردن افزودنیهای غذایی
توسعه مزه های جدید
کنترل آزاد شدن مواد طعمی
افزایش دسترسی زیستی ترکیبات مغذی
نکته: در جدول 1-1 برخی از کاربردهای نانو در صنایع غذایی ذکر شده است.

27. 1- بسته بندی مواد غذایی
- SiO2 به صورت ذرات نانو به برخی از فیلمها برای بهبود سرعت نفوذ آب و گاز استفاده شده است. علاوه براین این ذرات می توانند باعث بهبود یکسری ویژگیها ازجمله قدرت کشش، سفتی و غیره شوند.
- در برخی از تحقیقات از ذرات نانو نقره یا TiO2 در بسته بندی پلی استیک اسید به عنوان عامل ضد میکروب استفاده شده است.
تصویر میکروسکوپ الکترونی از ذرات نانو نقره

28. 2-کپسوله کردن مواد
این تکنیک از روی عملکرد غشای سلولی در طبیعت الگوبرداری شده است. با استفاده از این تکنیک , بشر موفق به ساخت محفظه های کیسه ای شکلی در ابعاد بسیار کوچک نانویی خواهد شد که درون آنها فضایی خالی برای مواد غذایی تعبیه شده است, لایه بیرونی این کپسول بسته به اینکه لازم است مواد داخل کپسول در آب یا در روغن حل شوند , طراحی می شوند. این کپسول ها در برابر اسید معده مقاوم هستند و بسته به ضرورت می توانند در دهان یا در معده باز شوند. در واقع , فرآیند نانو کپسوله کردن به این معنا است که این امکان وجود دارد که مواد غذایی مفید برای بدن بدون اینکه در فرایند ساخت در کارخانه یا در هنگام پخت در آشپزخانه و یا توسط آنزیمهای دهان و معده از بین روند این کپسول ها به طور مستقیم وارد جریان خون شده و در نتیجه جذب بدن شوند این کار حتی مانع از دفع بدون جذب ویتامین های مواد غذایی میشود. یکی دیگر از کاربرد های نانو کپسوله کردن این است که مواد غذایی مفید ولی با طمع های نامطبوع مانند روغن ماهی را می توان از طریق این کپسول ها بدون احساس مزه ناخوشایند به غذا اضافه کرد.

29. برخی از مواد مغذی تهیه شده به صورت نانوذرات
Health Ingredient
Main Reason for Formulation
Nanoparticle
Carotenoids
Bioavailability
Color Strength
Solid
Co-Enzyme Q10
Vitamin A
Stability through encapsulation
Droplet
Vitamin E
Compressibility, use in tablets
Vitamin D, K
PUFAs

30. 3- تولید نانو لوله
پروتئینهای کروی معمولاً 1 تا 10 نانومتر قطر دارند. در برخی از تحقیقات توانسته اند که با استفاده از این پروتئینهای کوچک نانو لوله تهیه کنند. از مزیت این نانولوله ها مقاومت در مقابل پاستوریزاسیون، قوی و محکم بودن آنهاست. علاوه بر این در داخل این نانولوله ها می توان داروها یا مواد مغذی حساس را قرار داد.
از مزایای دیگر این نانو لوله ها نیاز کمتر پروتئین به منظور ایجاد ژل است.