دانلود مقاله خواص نالاستیکی انوتیوپ‌ ها

تغییر شکل نانوتیوپ‌ها ، به خصوص در نانوتیوپ‌های کربن تک دیواره ؛ به شدت الاستیک می‌باشد ، الاستیک بودن یکی دیگر از خواص کاربردی بسیار مناسب نانوتیوپ‌ها به شمار می رود .برای مثال اگر از این مواد در ساخت یک اتومبیل استفاده شود آنگاه پس از تصادف تمامی کمانش‌ها و تاب خوردگی‌ها باز شده و ماده هیچ گونه اثری از صدمه دیدن را از خود نشان نخواهد داد .

از دیگر کاربردهای این مواد می‌توان به ساختمان‌های ضد زلزله و المان‌هایی برای ساخت پل‌ها اشاره نمود .

البته مشکلات و مسایل بسیاری وجود دارد که باید تحقیقات زیادی صورت گیرد تا بر این مشکلات غلبه شود .

کاربرد در نانوتکنولوژی : نانوتیوپ‌هایی که دارای انتهای باز باشند می‌توانند به داخل سلول نفوذ کرده و مواد شیمیایی داخل آن را بررسی نمایند و یا میتوانند به عنوان پیپت‌هایی بسیار کوچک عمل کرده و مولکو‌ل‌ها را به داخل سلول بفرستند.

مدلسازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهند که مولکول آب می‌تواند به سرعت وارد نانوتیوپی با قطر هشت نانومتر شده و طول آن را طی کند .

بعلاوه مدلسازی‌های کامپیوتری انجام شده برای تعداد دیگری از مولکول‌های آلی نشان دهنده این نکته است که آنها نیز می‌توانند با سرعتی معادل با سرعت آب در طول نانوتیوپ حرکت نمایند .

با استفاده از این خاصیت غیر عادی نانوتیوپ‌های کربن ، می‌توان از آنها در کاربردهای پزشکی مانند تزریق دارو به صورت بسیار هدفمند ، بهره گرفت .

به علت حساسیت بالای نانوتیوپ‌ها و اندازه آنها می‌توان از این مواد به عنوان سنسور استفاده کرد .

مقاومت الکتریکی نانوتیوپ‌های نیمه رسانا به شدت با تغییر محیط اطراف آنها تغییر می‌کند که از این امر برای ساخت سنسور‌های حساس استفاده می‌شود .

مشکلی که وجود دارد و باید در کاربردها به آن توجه داشت این است که نانوتیوپ‌ها نسبت به بسیاری از ترکیبات شیمیایی مانند اکسیژن و آب حساس بوده و ممکن است قادر نباشند که یک ماده شیمیایی و یا گاز را از دیگر مواد تشخیص دهند .

سوزن دستگاههای اسکن‌ کننده برای توسعه نانوتکنولوژی بسیار با اهمیت هستند زیرا این دستگاهها شکل سطح را مشخص می‌کنند .بنابراین باید سوزن آنها بسیار تیز باشد و پس از مصرف مکرر دچار سایش نگردد.

امروزه نانوتیوپ‌های منفرد که به تیرهای یک سر درگیر سیلیکنی متصل هستند در میکروسکوپ‌های نیروی اتمی متداول استفاده می‌شوند .

نمونه‌ای از این سوزن‌های ساخته شده از نانوتیوپ‌ کربن در شکل 5-55 نشان داده شده است .

همچنین این نانوتیوپ‌ها علاوه بر اینکه دارای میزان تیزی بالایی می‌باشند در مقابل خسارات مکانیکی نیز مقاوم‌اند و تصاویر با کیفیت بالایی را فراهم می‌آورند .

به عنوان مثال یک سوزن میکروسکوپ ساخته شده از نانوتیوپ می‌تواند مسیر یک DNA را دنبال نموده و مواد شیمیایی به کار رفته را تشخیص دهد .

نانو تکنولوژی ،‌انسان و محیط زیست مزایای نانوتکنولوژی : با توجه به مطالبی که در فصول قبلی مورد بحث قرار گرفت ملاحظه می‌نماییم که نانوتکنولوژی در تمام جنبه‌های مختلف زندگی انسان تاثیر گذار بوده و اغلب این اثرات به صورت محسوس و غیرمحسوب قابل مطالعه ، بررسی و تحلیل می‌باشد و بطور کلی می‌توان گفت که زندگی اجتماعی انسان و توسعه همه جانبه آن وابستگی شدیدی به موضوع نانوتکنولوژی داشته ، و اغلب این وابستگی‌ها نتیجه اثرات مثبت و سازنده‌ای است که نانوتکنولوژی در زمینه‌های مختلف زندگی انسان از جمله مسایل اقتصادی ، زیست محیطی ، پزشکی ، تغذیه ، صنایع ،منسوجات و بطور کلی سیستم‌ها و ابزار آلات و ملزومات روزمره از خود نشان داده است .

نمونه‌هایی از این اثرات مثبت در قالب کاهش مصرف مواد اولیه و هزینه‌های تولید ،‌کاهش آلودگی محیط زیست ، طراحی و ساخت وسایل و ابزارهای دقیق در مهندسی پزشکی ، رساندن دز مناسب دارو به سلولهای بیمار ، تقویت و تعدیل مواد مناسب در تغذیه روزمره ، افزایش کارآیی و عمر قطعات صنعتی و بهبود کیفیت و تنوع کارآیی مواد و منسوجات مورد نیاز زندگی انسان و هزاران مورد دیگر را می‌توان نام برد .

در این خصوص در فصول قبلی در زمینه مزایای نانوتکنولوژی مباحثی مطرح و مسایل بیشتری در کتب و مقالات منتشر شده توسط دیگر نویسندگان ] 5-1[ بیان شده است که اهم آنها به شرح ذیل است .

ذرات نانومتری می‌توانند به راحتی وارد سلول‌ها شوند ، بر این اساس داروهای جدیدی را نیز می‌توان تولید نمود .

جالب‌ترین کاربردی که این مواد در زمینه محیط زیست و همچنین در زمینه انرژی دارند ، پیل‌های سوختی می‌باشد که کاربردهای صنعتی زیادی دارند .

از جمله تحقیقاتی که در حال انجام است می‌توان به تحقیقات در زمینه بکارگیری نانوتیوپ‌های کربن به عنوان ذخیره کننده هیدروژن در این پیل‌ها اشاره نمود .

این پیل‌ها قادر خواهند بود تا حتی اتومبیل‌ها را نیز به حرکت در آورند در حالی که تنها ماده خروجی این گونه اتومبیل‌ها آب می باشد.

شماتیکی از این پیلها در شکل 6-1 نشان داده شده است .

مهندسی سطح در ساخت پیل‌های سوختی یک امر بسیار مهم بوده ، که در آن خواص سطح خارجی و ساختار حفره‌ها تاثیر زیادی بر روی کارایی آنها دارند .

در این پیل‌ها هیدروژن به عنوان سوخت اصلی به کار برده می‌شود و می‌توان آن را از هیدروکربن‌ها و با استفاده از بهینه سازی توسط کاتالیزر که عموماً در داخل یک راکتور که به صورت مستقیم به پیل سوختی متصل است ، تولید نمود .

استفاده از صفحات و سطوح ساخته شده موجب خواهد شد تا فرآیندهای کاتالیزری بکار رفته بهبود یافته وبازده افزایش یابد ، بگونه‌ای که بتوان پیل‌های سوختی با اندازه‌های کوچکتر را تولید نمود .

این پیل‌ها می‌توانند به عنوان منابع انرژی الکتریکی به طور وسیعی بکار گرفته شوند.

در نهایت نیز می‌توان هیدروژن را از مواد غیر از هیدروکربن‌شها تهیه کرد که این امر موضوع تحقیقات روز می‌باشد .

امروزه از نانوتکنولوژی برای ساخت مکمل‌های سوختی نیز استفاده می‌شود به عنوان مثال در زمینه افزودن ذرات نانومتری اکسید سدیم به سوخت دیزل برای صرفه جویی بیشتر در سوخت با استفاده از کاهش مصرف سوخت در طی زمان ، تحقیاتی در دست انجام است .

کاربرد دیگر مواد نانومتری ، ساخت دستگاههای تولید کننده انرژی الکتریکی بوسیله انرژی نوری است .

هدف نهایی در این زمینه تولید سلول‌های خورشیدی با کارایی بالا ، ارزان و در صورت امکان انعطاف پذیر ، از پلاستیک‌ها می‌باشد .

پیش بینی می‌شود که این تکنولوژی در سال 2020 جایگاه مطلوبی را بدست آورد .

در این زمینه یکی از راهکارهای ارائه شده مشابه سازی و تقلید از سیستم‌ های زیستی می‌باشد این امر می‌تواند موجب افزایش نیروگاه‌های خورشیدی و به تبع آن کاهش نیروگاه‌های با سوخت فسیلی گردد که این امر خود تاثیر فراوانی در کاهش آلودگی محیط زیست خواهد داشت .

نمونه‌ای از صفحات سلول خورشیدی در شکل 6-2 نشان داده شده است .

از دیگر کاربردهای نانوتکنولوژی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد : استفاده از نانوکامپوزیت‌ها به عنوان یک ماده پوشش دهنده در اتومبیل‌ها که می‌توانند به عنوان جایگزین مناسبی برای پوشش‌های پایه کروم فعلی به کار برده شود .

تولید سنسورهای تشخیص دهنده آلودگی با دقت بالا و سرعتی تا 100 برابر سنسورهای موجود که قادرند وجود مواد شیمیایی را تاحد نانولیتر در پس آب‌ها تشخیص دهند .

استفاده از نانوکامپوزیت‌های پایه خاک رس بجای بکار بردن فلز و آلومینیوم در پانل‌های اتومبیل می‌تواند باعث کاهش مصرف سوخت شده و در نتیجه آلاینده‌ها را کاهش خواهد داد .

نانوتکنولوژی موجب افزایش تولیدات کشاورزی شده و امکان فیلتر کردن آب و جداسازی نمک از آن را به صورت اقتصادی‌تر فراهم خواهد آورد ، نیاز به مواد کمیاب و در نتیجه آلودگی ناشی از فرایند تولید این مواد را کاهش می‌دهد .

پیش بینی می‌شود که در 10 تا 15 سال آینده پیشرفت‌های ناشی از نانوتکنولوژی در زمینه لوازم تولید نور می‌تواند مصرف انرژی در جهان را تا 10% کاهش دهد که این امر به معنی کاهش 100 میلیارد دلاری در هزینه‌های تولید انرژی و نیز کاهش تولید کربن تا 200 میلیون تن در سال می‌باشد .

مطابق گزارش‌های ارائه شده تخمین زده می‌شود که حدود 20% انرژی مصرفی صرف روشنایی می‌گردد.

نقاط کوانتومی فسفر که با استفاده از نانوتکنولوژی تولید می‌شوند امکان تولید دیودهای نوری با روشنایی بیشتر را به صورت اقتصادی تر فراهم می‌سازند .

دیودهای نوری تولید شده با این روش تا سال 2025 می‌توانند انرژی لازم برای روشنایی را تا بیش از 50%‌ کاهش دهند .

این مقدار دو برابر بهینه‌تر از استفاده از دیودهای نوری فلورسان متداول می باشد .

مقایسه بین دیودهای ساخته شده بوسیله نانوتکنولوژی و دیودهای معمولی را می‌توان در شکل 6-3 انجام داد .

میزان انرژی که بدین وسیله صرفه جویی می‌شود تقریباً برابر انرژی است که پنجاه راکتور اتمی در طی یک سال تولید می‌کنند .

شاید بتوان جالب‌ترین بخش از نانوتکنولوژی را خودآرایی دانست که در آن مولکولها در کنار یکدیگر قرار گرفته و به صورت خودکار شروع به ساخت قطعه مورد نظر می‌کنند .

در صورتی که از این روش برای ساخت قطعات استفاده شود دیگر نیازی به احداث کارخانه‌های بزرگ که انرژی زیادی را مصرف می‌کنند و همچنین آلودگی زیادی نیز دارند نخواهند بود .

در این زمینه مهمترین تهدید، این است که نتوان فرآیند تولید را کنترل نمود که در این صورت ذرات به شکل گسترده‌ای به خود آرایی ادامه می‌دهند و حالتی بسیار نامطلوب پیش می آید که به آن "لجن خاکستری " گفته می‌شود .

یکی از مواردی که نانوتکنولوژی بسیار مورد توجه قرار گرفته است ، تکنولوژی سبز می‌باشد که آلودگی‌ها و انتشار مواد مضر تولیدی را به حداقل می‌رساند .

در حالت اید‌ه آل ،‌ نانوتکنولوژی حفاظت از طبیعت را به میزان زیادی با ایجاد روشی برای کاهش مواد سمی شیمیایی به صورت اقتصادی ،‌ افزایش می‌دهد .

از جمله این مواد می‌توان به سموم تجمع کننده زیستی پایدار ، آلوده‌کننده‌های خطرناک هوا و ترکیبات آلی فعال اشاره کرد .

مواد نانو در ساخت سنسورها هم از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشد .

محافظت از سلامت انسان و اکوسیستم ،‌نیاز به در اختیار داشتن سنسورهای دقیقی می‌باشد که بتوانند آلودگی را در حد مولکولی تشخیص دهند .

در صورت در اختیار داشتن سنسورهایی با دقت بالاتر و و نیز قیمت کمتر و حساس‌تر می‌توان بهبود بالایی در کنترل پروسه ، مونیتور کردن اکوسیستم و تصمیم گیری در زمینه‌های محیط ‌زیست بدست آورد .

امروزه دستگاههای تشخیصی که بتوانند اطلاعات را به صورت همزمان ارایه کنند و یا قادر باشند تا آلودگی در حد مولکولی را نیز تشخیص دهند به طور عمده مورد توجه می‌باشند .

در خصوص نمونه‌هایی از کاربرد نانوتکنولوژی در محیط زیست می‌توان به مواردی از قبیل نانوسنسورها اشاره کرد که قادرند تا آلودگی‌ها و نیز عوامل بیماری زای‌ خاص در محیط را تشخیص دهند.

این سنسورها قادرند تا اندازه‌گیری‌هایی را به صورت پیوسته در منطقه وسیعی انجام دهند و نیز به تراشه‌های نانو متصل شوند و به صورت پیوسته و همزمان به عمل نمایش دادن بپردازند .

از دیگر زمینه‌های مهم ، ساخت سنسورهایی است که بتوان از آنها در نمایش دادن و مانیتور کردن و یا کنترل فرآیند برای ردیابی آلودگی و یا کمینه کردن میزان آلودگی و تاثیر آن بر محیط استفاده کرد .

ازجمله سنسورهایی که امروزه بر روی آنها کار شده و تحقیقات بر روی آنها همچنان ادامه دارد می‌توان به سنسورهای تشخیص آلودگی ناشی از مواد آلی در هوا و آب ، دیوکسین ،‌ PAH و مواد بیماری‌زای زیستی اشاره کرد .

از دیگر کاربردها می‌توان به مونیتور کردن کیفیت آب و بررسی نحوه اندرکنش آلودگی‌های موجود در محیط مانند آیروسول‌ها و ذرات کوچک یا سطوح ذرات اشاره کرد .

به عنوان مثال دانشمندان در پردو اولین تراشه زیستی پروتیین را ساخته‌اند که دارای گروه‌های عملگر پروتیینی بسیار خاصی می‌باشند و قادرند تا کوچکترین میزان تجمع ماده هدف را نیز تشخیص دهند .

نمونه‌ای از میکروتراشه‌های ساخته شده توسط نانوتکنولوژی در شکل 6-4 نشان داده شده است .

بعلاوه از ذرات نانو در ساخت کاتالیزرها جهت کاهش دمای مورد نیاز واکنش نیز می‌توان استفاده کرد .

از جمله دیگر مزایای نانوتکنولوژی ، می‌توان به کاهش نیاز به فلزات نجیب ، در استفاده به عنوان کاتالیزر جهت کاهش آلودگی هوا اشاره نمود .

در شکل 6-5 یک شماتیک از هیدروژنیزه کردن پروپن بر روی اکسید منگنز تقویت شده با Ir4 نشان داده شده است .

ابتدا پروپن به خوشه‌‌ها پیوند می‌خورد و سپس هیدروژنیزه شده و 1- پروپیل و یا 2- پروپیل را تولید خواهد کرد که پس از هیدروژنیزه شدن و پروپان تولید می‌کنند .

در شکل 6-6 نیز نموداری نشان داده شده است که در آن چگونگی از بین رفتن تمام کربن‌های آلی با استفاده از ذرات نانومتری نشان داده شده و با روش سونالیز مقایسه شده است .

از دیگر موادی که توسط نانوتکنولوژی تولید می‌شوند ، نانوکامپوزیت‌ها هستند نانوکامپوزیت‌ها نیز موادی هستند که اثرات قابل ملاحظه‌ای در محیط زیست از خود نشان می‌دهند .

برخی از کاربردهای موثر در صنایع و محیط این گونه مواد به شرح ذیل است : همانگونه که قبلاً نیز بیان شد میزان واکنش پذیری ذرات نانومتری بسیار بیشتر از ذرات معمولی است ،لذا در صورتی که این ذرات سمی باشند میزان سمیت آنها بسیار بالاتر از میزانی است که مواد معمولی از خود نشان می دهند .

باید توجه داشت که به دلیل خواص ویژه ذرات نانومتری و نیز محدودیت‌هایی که از لحاظ اندازه‌گیری وجود دارد ، تعیین سمیت این مواد با پیچیدگی‌هایی همراه است .

از جمله مشکلاتی که در زمینه تعیین میزان سمیت ذرات نانومتری وجود دارد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد : پوشش سطح ذرات مواردی که موجب اختلاف در پاسخ ریه به این ذرات می‌شوند .

پتانسیل تجمع و یا پراکنده شدن ذرات نانومتری .

ذرات نانومتری به صورت بخار در مقایسه با ذراتی که نشست پیدا کرده‌اند .

بار سطحی .

راه‌های ورود ذرات نانومتری به بدن : مواد نانومتری می‌توانند به روشهای زیر وارد جریان خون شده و در بدن پخش شوند : به روش تماسی و از طریق پوست .

به روش استنشاق و از راه بینی .

ورود و جذب از طریق چشم .

ورود و جذب از طریق شش‌ها.

ورود به دستگاه گوارش .

نمونه‌هایی از اثرات سوء‌ ذرات نانومتری بر سلامتی انسان را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود: جلوگیری از تولید آنزیم در بدن .

تولید رادیکال‌های آزاد .

واکنش‌های شیمیایی .

فشار به مغز .

مسمومیت .

نانوتکنولوژی قادر است تا ضایعات راکاهش دهد .

این کار با استفاده از ساخت کاتالیس‌های جدید و بهینه شده در محدوده اتمی برای مصارف صنعتی ،ساخت مولکولهای جدید ، خود آرایی و....

انجام می‌گیرد .

از نانوتکنولوژی همچنین می‌توان برای مدیریت ضایعات و کاهش آنها استفاده کرد .

برای مثال می‌توان به تکنولوژی اطلاعات در ابعاد نانومتری اشاره کرد که با بکارگیری آن می توان محصول را تشخیص داده و آن را ردیابی کرد تا بتوان فرآیندهای بازیافت ، بازسازی و عمر مصرف را پیش بینی و کنترل نمود .

ازجمله مثالهایی که می‌توان برای کاربرد نانوتکنولوژی درکاهش آلودگی مطرح نمود ، فرایند ساختی است که می‌تواند در دما و فشار محدود، با استفاده از کاتالیزورهای غیر سمی با کمترین تولید آلوده‌کننده‌ها ،‌ و با استفاده از واکنش های پایه آبی ، یا حذف حلال‌ها بدست آورد .برای نمونه می‌توان به ساخت ذرات فلزی به قطر 5/1 نانومتر اشاره نمود که در آن با استفاده از مونتاژ این ذرات کوچک فلزی بر روی صفحه پلیمری تراشه‌های الکترونیکی ساخته شده ‌اند که این روش می‌تواند جایگزین مناسبی برای روش‌های فعلی که در آنها از مواد شیمیایی که به طبیعت آسیب می‌رسانند ،‌باشد بعلاوه تک لایه‌هایی که با استفاده از خود آرایی تولید شده‌اند و در آنها یک لایه از گروه فعال با یک فلز سنگین وارد واکنش شده و بر روی یک سطح متخلخل نشست داده می‌شود .

قادر است تا جیوه را از مایعات آبی و آلی جدا کند .

نانوتکنولوژی می‌تواند بوسیله راههای زیر به کاهش آلودگی در محیط زیست کمک کند : کاهش مصرف مواد اولیه کاهش ضایعات کاهش مواد منتشر شده کاهش تولید مواد سمی انجام فرآیند ساخت در دما و فشار عادی استفاده از کاتالیزرهای غیر سمی با کمترین میزان تولید مواد آلوده کننده بکار گیری واکنش‌های پایه آبی ساخت سریع مولکول‌های مفید و مورد نیاز بکارگیری در تشخیص نوع ماده محصول و دنبال کردن آن برای مدیریت بازیافت و تعیین زمان تعویض حلال‌ها .

جلوگیری از آلودگی خود به معنی " کاهش استفاده از منابع اولیه " و یا هر گونه منبع دیگری که موجب آلودگی می‌باشد با استفاده از بالا بردن بهره‌وری در استفاده از مواد اولیه انرژی ، آب و دیگر منابع و یا محافظت از منابع با استفاده از حفظ آنها می‌باشد .

از آنجا که کاهش آلودگی ، به معنی جایگزین کردن مواد سمی در فرایند و همچنین تولید مواد سازگار با طبیعت و محصولات قابل بازگشت می‌باشد .

کاربرد نانوتکنولوژی در کاهش آلودگی محیط زیست را می توان به دو صورت بیان نمود : 1- استفاده از نانوتکنولوژی در راستای تبدیل یک فرایند تولیدی به صورت سازگار با طبیعت .

2- نانوتکنولوژی خود می‌تواند به صورت یک فرآیند سازگار با طبیعت عمل نموده و جایگزین روشها و فرآیندهای تولید کننده مواد اولیه و یا مواد سمی شود .

از نانوتکنولوژی برای برطرف کردن سموم نیز می‌توان استفاده نمود .

در این زمینه از ذرات نانومتری دو فلزی برای رفع آلودگی آب ‌های موجود در داخل زمین استفاده شده است .

نشان داده شده است که ذرات نانومتری آهن می‌توانند تا 96% آلودگی ناشی از تری کلرواتیلن را در آب زیرزمینی در مرکز صنعتی را از بین ببرند .

این ذرات از آهن و پالادیوم (‌و چند فلز دیگر ) ساخته شده‌اند .

دیده شده است که این مواد برای طیف گسترده‌ای از آلودگی‌هاش ناشی از مواد کلروهیدروکربن به خوبی جواب داده و آلودگی ناشی از آنها را تا حدی زیادی کاهش می‌دهد .

از تکنولوژی بکار گیری فلز آهن برای رفع آلودگی آب‌های زیرزمینی مدت زیادی است که استفاده می‌شود .

در اینجا آهن به عنوان یک الکترون دهنده عمل نموده و باعث کاهش آلودگی‌های محیطی (‌آلی و معدنی ) می‌شود برای مثال تری کلرواتیلن (TCE) می‌تواند توسط آهن به اتان تبدیل شود : این واکنش را می‌توان با استفاده از ترکیب آهن با یک فلز جدید بهبود بخشید .

بخش عمده‌ای از تحقیقات در این زمینه که امروزه در حال انجام است مربوط به آهن به صورت گرانول و در اندازه‌های میکرمتری ( 50 میکرون ) می‌باشد .

کاهش اندازه این ذرات تا اندازه‌های نانومتری موجب می‌شود این ذرات واکنش پذیری بیشتری داشته باشند .

بعلاوه می‌توان با افزودن ذرات نانومتری Fe/Pd به راکتورهای مخلوط جامد و مایع خاک و رسوبات را پاکسازی کرد زیرا این ذرات قادرند تا از میان حفره‌های بین مولکولی که در خاک و رسوبات قرار دارند نیز عبور کنند درحالی که این کار برای بسیاری از میکروارگانیسم‌ها غیر ممکن است .

در شکل 6-7 شماتیکی از روش از بین بردن پس مانده‌های صنعتی توسط ذرات نانومتری آهن نشان داده شده است .

از ذرات نانومتری آهن همچنین جهت پاکسازی و از بین بردن آلودگی آبهای زیرزمینی استفاده می‌شود .

شکل شماتیک 6-8 این موضوع را نشان می دهد .

از جمله تحقیقاتی که امروزه در حوزه نانوتکنولوژی در زمینه کاهش آلودگی هوا در حال انجام است می توان به مواردی از جمله ، بررسی فرآیند تجمع ذرات در هوا و آب و برطرف کردن کوچکترین ذرات ناخالصی و آلوده کننده در آب (‌کوچکتر از 300 نانومتر) و هوا (‌کوچکتر از 50 نانومتر ) ،‌ تصفیه آب و نمک زدایی آب دریا با روش‌هایی که انرژی بسیار کمتری را نسبت به روش‌های موجود مصرف می‌کنند و نیز ساخت مواد هوشمندی و سطوح واکنشی که مواد سمی را نابود کرده و یا از کار می اندازند ، اشاره کرد .

این مواد نانومتری به علت کوچکی و بالا بودن اندازه سطوح آنها و نیز واکنش پذیری شیمیایی بالایی که دارند ،‌به عنوان یک ماده برای از بین بردن آلودگی‌ها در محیط زیست استفاده می‌شوند .

این مواد به علت شکل مخصوص کریستالی خود و نیز نحوه قرار گیری شبکه اتم‌‌ها در آنها از لحاظ شیمیایی بسیار فعال‌تر از مواد معمولی می‌باشند .

استفاده اختصاصی ‌از ذرات نانومتری برای از بین بردن آلودگی به حوزه اکسید کردن فوتوکاتالیزری آلوده کننده‌های آلی مربوط می‌شود .

برای مثال ، محققین راهکاری سریع را برای از بین بردن آلودگی در آب با استفاده از یک فوتوکاتالیست ابداع کرده‌اند .

زمانی که ذرات نانومتری اکسید روی در معرض پرتوماورا بنفش قرار گیرند ، شروع به پخش کردن نور می‌کنند .

در حضور آلوده کننده‌های با ترکیب کلر ، اکسید روی موجود آلوده کننده‌ها را اکسید می‌کند ، و نوردهی آنها کاهش می یابد .

با این روش هم می‌توان آلودگی را تشخیص داد ( با کاهش نوردهی این ذرات ) و هم می‌توان آن را از بین برد ( با اکسید کردن ذرات آلوده کننده ) .

زمانی که واکنش تمام شود ، ذرات اکسید روی دوباره خاصیت نوردهی خود را بدست خواهند آورد .

لذا ، واکنش اکسید کردن آلوده کننده‌ها که یک واکنش گرماگیر می‌باشد تنها زمانی رخ می‌دهد که آلودگی وجود داشته باشد .

به نظر می رسد که استفاده از اکسید روی برای رفع آلودگی آب بجای استفاده از روش متداول کاربرد اکسید تیتانیوم ، امکان دیگری که همان تشخیص آلودگی علاوه بر رفع آن است را نیز در اختیار ما قرار می‌دهد .

این امر برای کاربرد در پروژه‌های محیط زیستی بسیار مطلوب می‌باشد .

در شکل 6-9 نیز خاصیت دو گانه اکسید روی به عنوان سنسور و تصفیه کننده نشان داده شده است .

معایب و خطرات نانوتکنولوژی : به لحاظ اینکه در مورد معایب و خطرات نانوتکنولوژی مطالب کمتری منتشر گردیده است ، لذا با توجه به هزینه‌های سنگین و نیروهای زیادی که صرف شناسایی و توسعه ، مواد نانو و نانوتکنولوژی می‌شود ، لازم است که در بدو امر به خطرات احتمالی این موضوع نیز توجه خاص مبذول گشته و مورد بحث قرار گیرد، تا توسعه نانوتکنولوژی تضمین کننده سلامت بیشتر جامعه گردد.

لذا در این بخش سعی می‌شود که جزییات بیشتری در خصوص خطرات و معایب نانوتکنولوژی بیان گردد.

در این خصوص باید متذکر شویم که علی رغم تمام این مزایا نانوتکنولوژی خطراتی را نیز به همراه دارد .

از جمله می‌توان به ذرات کوانتومی اشاره نمود که از آنها برای تشخیص سریع بیماری‌ها استفاده می‌شود .

این ذرات عموماً با استفاده از نیمه‌ هادی‌هایی نظیر CdS و CdSe ساخته می‌شوند .

این مواد به طور معمول سمی می‌باشند ولی در مورد اینکه آیا این مواد در اندازه‌های نانومتری نیز سمیت خود را حفظ می کنند یا خیر هنوز اطلاعات دقیقی در دست نیست .

بعلاوه مایع دی – متیل کادمیوم که برای تولید این ذرات نانومتری استفاده می‌شود نیز بسیار سمی می‌باشد .

این فرآیند به صورت شماتیک در شکل 6-10 نشان داده شده است .

بعلاوه ذرات نانومتری می‌توانند با توجه به مکانیزم‌های خاصی که عمدتاً مبتنی بر اندازه آنها می‌باشند ، وارد بدن شده و خطراتی را به همراه داشته باشند .

در شکل 6-11برشی از ریه یک موش که ذرات نانومتری آهن در آن رسوب کرده نشان داده شده است .

شکل 6-10 شماتیک تولید ذرات سولفید کادمیوم شکل 6-11 ذرات نانومتری رسوب یافته در ریه یک موش درشکل 6-12 ذرات نانومتری آهن با وضوح بیشتری مشاهده می شوند .

این ذرات در شکل با استفاده از یک علامت پیکان مشخص شده‌اند .

شکل 6-12 ذرات آهن نانومتری مشخص شده بوسیله یک علامت پیکان در این خصوص به ذکر آزمایش‌های انجام شده بر روی موش‌ها می‌پردازیم .

شش نوع ماده نانومتری مختلف را به داخل ریه‌های موش‌ها فرستاده و ریه‌های آنها عسکبرداری و تجزیه و تحلیل شده‌اند .

درشکل 6-13 بافت بزرگنمایی شده‌ای از ریه یک موش دیده می شود که در این آزمایش به ازاء هر موش 5/0 میلی گرم از ماده مورد آزمایش مصرف شده وپس از گذشت 90 روز این موش‌ها کشته شده‌اند .

در نمونه A ماده مصرف شده کربن سیاه بوده است ،‌در اینجا ذرات کربن در داخل سلول تنفسی ریه پخش شده‌اند .

در نمونه B ماده مصرف شده کوارتز می‌باشد که تجمعی از سلول‌های متورم (‌لنفوسیت‌ها )‌ در اطراف منطقه‌ای که سلو‌ل‌های کوارتز تجمع دارند و شامل ماکروفاژ‌ها می‌باشند دیده می‌شود .

در نمونه C از نانوتیوپ‌های کربن به عنوان ماده مورد آزمایش استفاده شده است که در آن می‌توان ملاحظه کرد که تومری که دارای ذرات سیاه رنگی است تشکیل شده است .

در نمونه D ماده بکار رفته RNT می‌باشد ، که در آن نیز تومرها با بزرگنمایی کم نشان داده شده‌اند در حالی که در نمونه E همان تومرها با بزرگنمایی بالا نشان داده شده‌اند در شکل F ماده بکار رفته PNT می‌باشد ، در این عکس همان گونه که ملاحظه می‌شود ،‌یک تومور بزرگ که نکروزه نیز شده است ملاحظه می‌شود .

شکل 6-13 نمونه آزمایشات مختلف انجام شده بر روی موش‌ها در شکل 6-14 نیز فیبرهای آزبست که در اثر تنفس به ریه‌‌ها داخل شده‌اند مشاهده می‌شوند .

این فیبرها نیز توسط یک علامت پیکان مشخص شده‌اند .

شکل 6-14 فیبرهای آزبست در ریه‌ .

همان گونه که قبلاً نیز بیان شد میزان واکنش ‌پذیری ذرات نانومتری بسیار بیشتر از ذرات معمولی است ، لذا در صورتی که این ذرات سمی باشند میزان سمیت آنها بسیار بالاتر از میزانی است که مواد معمولی از خود نشان می دهند .

باید توجه داشت که به دلیل خواص ویژه‌ی ذرات نانومتری و نیز محدودیت‌هایی که از لحاظ اندازه‌گیری وجود دارد ،‌تعیین سمیت این مواد با پیچیدگی‌هایی همراه است .

از جمله مشکلاتی که در زمینه تعیین میزان سمیت ذرات نانومتری وجود دارد می توان به موارد زیر اشاره کرد : پوشش سطح ذرات.

مواردی که موجب اختلاف در پاسخ ریه به این ذرات می‌شوند .

راه‌های ورود ذرات نانومتری به بدن : مواد نانومتری می‌توانند به روشهای زیر وارد جریان خون شده و در بدن پخش شوند: به روش تماسی و از طریق پوست .

ورود و جذب از طریق شش‌ها .

نمونه‌هایی از اثرات سوء ذرات نانومتری بر سلامتی انسان را می‌توان به صورت زیر خلاصه نمود : جلوگیری از تولید آنزیم در بدن تولید رادیکال‌های آزاد واکنش‌های شیمیایی فشار به مغز مسمومیت مسمومیت زایی مواد نانومتری : همانگونه که اشاره شد ، ذرات نانومتری اگر تحت کنترل قرار نگیرند مسمومیت زا بوده و ممکن است خطرات زیادی را برای انسان و سایر موجودات زنده ، بدنبال داشته باشند .

خلاصه‌ای از مکانیزم‌های مسمومیت‌زایی ذرات نانومتری در ذیل بیان شده است .

اندوسیتوز :تحریک کننده برای آغاز واکنش شماتیک این مکانیزم در شکل 6-15 نشان داده شده است .

شکل 6-15 شماتیک مکانیزم اندوسیتوز نفوذ در داخل غشا:این حالت بیشتر برای ذرات آب دوست رخ می‌دهد ( شکل 6-16) شکل 6-16 شماتیک مکانیزم نفوذ در داخل غشا کانال‌های عبوری :تنها برای ذراتی که دارای ابعاد بسیار کوچکی باشند ،‌رخ می‌دهد (‌کوچکتر از 5 نانومتر ) شکل 6-17 شماتیکی از این روش را نشان می‌دهد .

شکل 6-17 – شماتیک مکانیزم کانال‌های عبوری ذره نانومتری به عنوان واسطه : ذرات نانومتری به خودی خود سمی نمی‌باشند ، اما در صورتی که در مجاورت مواد دیگر و یا در محیط بدن انسان قرار گیرند می‌توانند مسمومیت‌هایی را به دنبال داشته باشند .

بسیاری از انواع مولکول‌ها در محیط ‌های آبی مرکب (‌مانند محیط درون بدن انسان ) به ذرات نانومتری می‌چسبند.

این امر موجب می‌شود تا فعل و انفعالات زیستی به آنها تحمیل شوند و بخصوص موجب چسبندگی این ذرات به یکدیگر می‌شوند .

درحالتی که ذرات نانومتری به یکدیگر بچسبند ، واکنش‌های بیولوژیکی که با آنها انجام می‌شود مشابه آنچه با ذرات حجیم انجام می‌شود ،‌ خواهد بود .

تجمع بین ذرات در سلو‌ل‌ها می‌تواند موجب نابودی بیشتر و در نتیجه مرگ سلول گردد.

بسیاری از بیماری‌های مشابه در نتیجه تجمع پروتیین‌ها رخ می‌دهد .

ذرات نانومتری همچنین موجب می‌شوند تا مواد سمی به سهولت وارد بدن شوند .

مکانیزم‌ عمل به این صورت است که زمانی که ذرات نانومتری وارد سلول می‌شوند مواد سمی را نیز که به آنها چسبیده‌اند با خود به داخل سلول می‌آورند .

در شکل 6-18 شماتیکی از یک ذره نانومتری که مواد سمی به آن متصل شده‌اند نشان داده شده است .

شکل 6-18 شماتیکی از یک ذره نانومتری که مواد سمی به آن چسبیده‌اند .

نتایج تحقیقات تا کنون حاکی از آن است که بسیاری از فلزات سنگین و حشره‌کش‌ها به این طریق وارد بدن موجودات زنده از جمله ماهی‌ها و انسان شده‌اند .

پروتیین‌ها چسبیده‌ترین مواد می‌باشند .

پروتیین‌ها در هنگامی که بر روی سطح ذره می‌چسبند دچار تغییر در ترکیب و اختلال در اثر گذاری شده و ممکن است کارایی آنها تغییر پیدا کند .

هنگامی که پروتیین‌ها به ذره نانومتری چسبیده باشند خواص آنها تغییر یافته و سلول‌های دفاعی بدن آنها را به عنوان مهاجم تشخیص خواهد داد در این حالت اگر پروتیین‌های خود بدن بر روی این ذرات بچسبند، سیستم ایمنی بدن آنها را هم به عنوان سلول‌های مهاجم تشخیص خواهد داد که در این صورت بدن به خودش حمله خواهد کرد .

در شکل 6-19 شماتیکی از حمله گلوبول‌های سفید نشان داده شده است.

برای درک بهتر چگونگی تاثیر ذرات نانومتری بر بدن ، بایدمکانیزم دفاعی در برابر این ذرات مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد .

همچنین باید خواصی را که ذرات باید داشته باشند تا بتوانند بر سیستم ایمنی بدن برتری یابند را نیز بررسی نماییم .

انسان در طول زندگی خود با بسیاری از این ذرات روبرو می‌شود ، راهکاری که بدن برای مقابله با این ذرات پیش می‌‌گیرد همان راهکاری است که در برابر میکروارگانیسم‌ها اعمال می‌کند .

شکل 6-19 شماتیک حمله گلوبول‌های سفید برخی از ذرات دارای مکانیزم‌هایی هستند که سیستم دفاعی بدن را مختل می‌کنند .

تحلیل این مکانیزم‌ها ، اثرات تخریبی این ذرات را بیشتر مشخص می‌نماید .

سه نوع ذراتی که اطلاعاتی در مورد آنها موجود می باشد عبارتند از : کانی‌های کوارتز آزبست ذرات مربوط به آلودگی هوا کانی‌های کوارتز : کوارتز کانی است که میلیون‌ها کارگر تا به امروز با آن در تماس بوده‌اند.

تماس با ذرات در اندازه‌های میکرونی برای مدت چند سال به میزان چند میلی گرم در متر مکعب هوا ،‌موجب بروز بیماری‌های شدید ریوی می‌شود .

همچنین مطالعات نشان می‌دهد که تماس اندک با ذرات میکرونی نیز حتی موجب تورم شدید ریه‌ها می‌شود .

این امر مربوط به سطح دانه‌ها کوارتز می‌باشد که بسیار واکنش پذیر بوده و موجب تولید رادیکال‌های آزاد می شود که این امر موجب اکسید شدن سلول‌های دفاعی و از بین رفتن آنها می‌گردد.

به نظر می‌رسد که این واکنش پذیری سطح عامل اصلی سمی بودن این ذرات به شمار آید ولی این عامل در ذرات مختلف متفاوت است .ذرات دیگری که در صنایع مختلف با آنها مواجه هستیم از جمله : ذغال سنگ و سیلیکات‌های مختلف ، دارای واکنش پذیری سطح کمتری می‌باشند ولی باز هم سمی هستند .

همچنین دیده شده است که عموماً ذراتی که وارد ریه می‌شوند حتی اگر دارای سمیت کمی نیز باشند در صورتی که به میزان زیاد وارد شوند می‌توانند موجب بروز بیماری شوند .