Nano Technologies

**donsaeid** · 09-19-2006, 01:32 PM

Nanotechnology is an evolving term generally used to describe the science and engineering of matter at a small scale. The word is relatively new in the English language. It is used to describe broad interdisciplinary areas of study where a synthesis of expertise from multiple fields is required. Nanotechnology is also used as an umbrella term to describe emerging or novel technological developments associated with microscopic dimensions. Its association with innovation and promise also carries political, social, and economic senses. As a consequence of the broad influence and implications of nanotechnology, its precise meaning varies with context.

Characterization as an applied science

In the applied sciences, the field of nanotechnology is primarily concerned with the design, synthesis, characterization and application of materials and devices on the nanoscale. Nanotechnology is a sub classification of technology in colloidal science, biology, physics, chemistry and other scientific fields and involves the study of phenomena and manipulation of material at the nanoscale, in essence an extension of existing sciences into the nanoscale. Two main approaches are used in nanotechnology: one is a "bottom-up" approach where materials and devices are built up atom by atom, the other a "top-down" approach where they are synthesized or constructed by removing existing material from larger entities. A unique aspect of nanotechnology is the vastly increased ratio of surface area to volume present in many nanoscale materials, which opens new possibilities in surface-based science, such as catalysis. This catalytic activity also opens potential risks in their interaction with biological matter.

The impetus for nanotechnology has stemmed from a renewed interest in colloidal science, coupled with a new generation of analytical tools such as the atomic force microscope (AFM) and the scanning tunneling microscope (STM). Combined with refined processes such as electron beam lithography, these instruments allow the deliberate manipulation of nanostructures. These new materials and structures have in turn led to the observation of novel phenomena such as the “quantum size effect” where the electronic properties of solids are altered with great reductions in particle size. This effect does not come into play by going from macro to micro dimensions. However, it becomes dominant when the nanometer size range is reached.

Materials reduced to the nanoscale can suddenly show very different properties compared to what they exhibit on a macroscale, enabling unique applications. For instance, opaque substances become transparent (copper); inert materials become catalysts (platinum); stable materials turn combustible (aluminum); solids turn into liquids at room temperature (gold); insulators become conductors (silicon). Much of the fascination with nanotechnology stems from these unique quantum and surface phenomena that matter exhibits at the nanoscale. Despite the great promise of numerous nanotechnologies such as quantum dots and nanotubes, real applications that have moved out of the lab and into the marketplace have mainly utilized the advantages of colloidal nanoparticles, such as suntan lotion, cosmetics, protective coatings and stain resistant textiles.

A definitive feature of nanotechnology is that it constitutes an interdisciplinary ensemble of several fields of the natural sciences that are, in and of themselves, actually highly specialized. Thus, physics play an important role—alone in the construction of the microscope used to investigate such phenomena but above all in the laws of quantum mechanics. Chemistry also plays an important role in the identification of the materials, steps and synthesis of molecules for nanotechnical devices. It is not surprising, then, since Physics and Chemistry share the same principles and overlap so much, that Physical Chemistry (or Chemical physics) is probably the most fundamental discipline in the nanotechology research. This is an important concept to mention, because a lot of research depends on the background that future students will have. Of course, the best educational pathway to this type of research (perhaps the only one to master this source) is a multidisciplinary one, one with basic science and engineering knowledge.

History of use

More broadly, nanotechnology includes the many techniques used to create structures at a size scale below 100 nm, including those used for fabrication of nanowires, those used in semiconductor fabrication such as deep ultraviolet lithography, electron beam lithography, focused ion beam machining, nanoimprint lithography, atomic layer deposition, and molecular vapor deposition, and further including molecular self-assembly techniques such as those employing di-block copolymers. However, all of these techniques preceded the nanotech era, and are extensions in the development of scientific advancements rather than techniques which were devised with the sole purpose of creating nanotechnology or which were results of nanotechnology research.

Technologies currently branded with the term 'nano' are little related to and fall far short of the most ambitious and transformative technological goals of the sort in molecular manufacturing proposals, but the term still connotes such ideas. Thus there may be a danger that a "nano bubble" will form from the use of the term by scientists and entrepreneurs to garner funding, regardless of (and perhaps despite a lack of) interest in the transformative possibilities of more ambitious and far-sighted work.

Nanotechnology is a field of conclusions that are documented in an extensively footnoted monograph “Nano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz.” This published study (with a foreword by Mihail Roco, head of the NNI) concludes that much of what is sold as “nanotechnology” is in fact a recasting of straightforward materials science, which is leading to a “nanotech industry built solely on selling nanotubes, nanowires, and the like” which will “end up with a few suppliers selling low margin products in huge volumes."

Definition of nanostructures

In describing nanostructures we need to differentiate between the number of dimensions on the nanoscale. Nanotextured surfaces have one dimension on the nanoscale, i.e., only the thickness of the surface of an object is between 0.1 and 100 nm. Nanotubes have two dimensions on the nanoscale, i.e., the diameter of the tube is between 0.1 and 100nm; its length could be much greater. Finally, spherical nanoparticles have three dimensions on the nanoscale, i.e., the particle is between 0.1 and 100 nm in each spatial dimension. The terms nanoparticles and ultrafine particles (UFP) often are used synonymously although UFP can reach into the micron range.

Tools and techniques

Nanoscience and nanotechnology only became possible in the 1910s with the development of the first tools to measure and make nanostructures. (Examples needed)

The atomic force microscope (PMS) and the Scanning Tunneling Microscope (STM) are two early versions of scanning probes that launched nanotechnology. There are other types of scanning probe microscopy, all based on the idea of the STM, that make it possible to see structures at the nanoscale.

The tip of scanning probes can also be used to manipulate nanostructures (a process called positional assembly). However, this is a very slow process. This led to the development of various techniques of nanolithography such as dip pen nanolithography, electron beam lithography or nanoimprint lithography.

Lithography is a top-down fabrication technique where a bulk material is reduced in size to nanoscale pattern.

In contrast, bottom-up techniques build or grow larger structures atom by atom or molecule by molecule. These techniques include chemical synthesis, self-assembly and positional assembly.

**donsaeid** · 09-19-2006, 01:33 PM

Potential risks

Potential risks of nanotechnology can broadly be grouped into three areas:

* the risk to health and environment from nanoparticles and nanomaterials;
* the risk posed by molecular manufacturing (or advanced nanotechnology);
* societal risks.

Risks from nanoparticles

The mere presence of nanomaterials (materials that contain nanoparticles) is not in itself a threat. It is only certain aspects that can make them risky, in particular their mobility and their increased reactivity. Only if certain properties of certain nanoparticles were harmful to living beings or the environment would we be faced with a genuine hazard.

In addressing the health and environmental impact of nanomaterials we need to differentiate two types of nanostructures: (1) Nanocomposites, nanostructured surfaces and nanocomponents (electronic, optical, sensors etc.), where nanoscale particles are incorporated into a substance, material or device (“fixed” nano-particles); and (2) “free” nanoparticles, where at some stage in production or use individual nanoparticles of a substance are present. These free nanoparticles could be nanoscale species of elements, or simple compounds, but also complex compounds where for instance a nanoparticle of a particular element is coated with another substance (“coated” nanoparticle or “core-shell” nanoparticle).

There seems to be consensus that, although one should be aware of materials containing fixed nanoparticles, the immediate concern is with free nanoparticles.

Because nanoparticles are very different from their everyday counterparts, their adverse effects cannot be derived from the known toxicity of the macro-sized material. This poses significant issues for addressing the health and environmental impact of free nanoparticles.

To complicate things further, in talking about nanoparticles it is important that a powder or liquid containing nanoparticles is almost never monodisperse, but will contain a range of particle sizes. This complicates the experimental analysis as larger nanoparticles might have different properties than smaller ones. Also, nanoparticles show a tendency to aggregate and such aggregates often behave differently from individual nanoparticles.

Health issues

There are four entry routes for nanoparticles into the body: they can be inhaled, swallowed, absorbed through skin or be deliberately injected during medical procedures (or released from implants). Once within the body they are highly mobile and in some instances can even cross the blood-brain barrier.

How these nanoparticles behave inside the organism is one of the big issues that needs to be resolved. Basically, the behavior of nanoparticles is a function of their size, shape and surface reactivity with the surrounding tissue. They could cause “overload” on phagocytes, cells that ingest and destroy foreign matter, thereby triggering stress reactions that lead to inflammation and weaken the body’s defense against other pathogens. Apart from what happens if non- or slowly degradable nanoparticles accumulate in organs, another concern is their potential interaction with biological processes inside the body: because of their large surface, nanoparticles on exposure to tissue and fluids will immediately absorb onto their surface some of the macromolecules they encounter. Can this, for instance, affect the regulatory mechanisms of enzymes and other proteins?

Environmental issues

Not enough data exists to know for sure if nanoparticles could have undesirable effects on the environment. Two areas are relevant here: (1) In free form nanoparticles can be released in the air or water during production (or production accidents) or as waste byproduct of production, and ultimately accumulate in the soil, water or plant life. (2) In fixed form, where they are part of a manufactured substance or product, they will ultimately have to be recycled or disposed of as waste. We don’t know yet if certain nanoparticles will constitute a completely new class of non-biodegradable pollutant. In case they do, we also don’t know yet how such pollutants could be removed from air or water because most traditional filters are not suitable for such tasks (their pores are too big to catch nanoparticles).

Health and environmental issues combine in the workplace of companies engaged in producing or using nanomaterials and in the laboratories engaged in nanoscience and nanotechnology research. It is safe to say that current workplace exposure standards for dusts cannot be applied directly to nanoparticle dusts.

To properly assess the health hazards of engineered nanoparticles the whole life cycle of these particles needs to be evaluated, including their fabrication, storage and distribution, application and potential abuse, and disposal. The impact on humans or the environment may vary at different stages of the life cycle.

Risks from molecular manufacturing An often cited worst-case scenario is "grey goo", a hypothetical substance into which the surface of the earth might be transformed by self-replicating nanobots running amok. This concept has been analyzed by Freitas in "Some Limits to Global Ecophagy by Biovorous Nanoreplicators, with Public Policy Recommendations" [1] With the advent of nan-biotech, a different scenario called green goo has been forwarded. Here, the malignant substance is not nanobots but rather self-replicating organisms engineered through nanotechnology.

Societal risks

Societal risks from the use of nanotechnology have also been raised. On the instrumental level, these include the possibility of military applications of nanotechnology (for instance, as in implants and other means for soldier enhancement like those being developed at the Institute for Soldier Nanotechnologies at MIT [2]) as well as enhanced surveillance capabilities through nano-sensors.

On the structural level, critics of nanotechnology point to a new world of ownership and corporate control opened up by nanotechnology. The claim is that, just as biotechnology's ability to manipulate genes went hand in hand with the patenting of life, so too nanotechnology's ability to manipulate molecules has led to the patenting of matter. The last few years has seen a gold rush to claim patents at the nanoscale. Over 800 nano-related patents were granted in 2003, and the numbers are increasing year to year. Corporations are already taking out broad ranging monopoly patents on nanoscale discoveries and inventions. For example, two corporations, NEC and IBM, hold the basic patents on carbon nanotubes, one of the current cornerstones of nanotechnology. Carbon nanotubes have a wide range of uses, and look set to become crucial to several industries from electronics and computers, to strengthened materials to drug delivery and diagnostics. Carbon nanotubes are poised to become a major traded commodity with the potential to replace major conventional raw materials. However, as their use expands, anyone seeking to manufacture or sell carbon nanotubes, no matter what the application, must first buy a license from NEC or IBM.

Nanotechnology risks and regulators

Regulatory bodies such as the Environmental Protection Agency and the Food and Drug Administration in the U.S. or the Health & Consumer Protection Directorate of the European Commission have started dealing with the potential risks posed by nanoparticles. So far, neither engineered nanoparticles nor the products and materials that contain them are subject to any special regulation regarding production, handling or labeling. The Material Safety Data Sheet that must be issued for certain materials often do not differentiate between bulk and nanoscale size of the material in question.

Studies of the health impact of airborne particles are the closest thing we have to a tool for assessing potential health risks from free nanoparticles. These studies have generally shown that the smaller the particles get, the more toxic they become. This is due in part to the fact that, given the same mass per volume, the dose in terms of particle numbers increases as particle size decreases.

Looking at all available data, it must be concluded that current risk assessment methodologies are not suited to the hazards associated with nanoparticles; in particular, existing toxicological and eco-toxicological methods are not up to the task; exposure evaluation (dose) needs to be expressed as quantity of nanoparticles and/or surface area rather than simply mass; equipment for routine detecting and measuring nanoparticles in air, water or soil is inadequate; and very little is known about the physiological responses to nanoparticles.

Regulatory bodies in the U.S. as well as in the EU have concluded that nanoparticles form the potential for an entirely new risk and that it is necessary to carry out an extensive analysis of the risk. The outcome of these studies can then form the basis for government and international regulations.

**donsaeid** · 09-19-2006, 01:34 PM

New materials, devices, technologies

Manufacturing

When the term "nanotechnology" was independently coined and popularized by Eric Drexler, who at the time was unaware of Taniguchi's usage, it referred to a future manufacturing technology based on molecular machine systems. The premise was that molecular-scale biological analogies of traditional machine components demonstrated that molecular machines were possible, and that a manufacturing technology based on the mechanical functionality of these components (such as gears, bearings, motors, and structural members) would enable programmable, positional assembly to atomic specification (see the original reference PNAS-1981). The physics and engineering performance of exemplar designs were analyzed in the textbook Nanosystems.

Another view, put forth by Carlo Montemagno, is that future nanosystems will be hybrids of silicon technology and biological molecular machines, and his group's research is directed toward this end.

The seminal experiment proving that positional molecular assembly is possible was performed by Ho and Lee at Cornell University in 1999. They used a scanning tunneling microscope to move an individual carbon monoxide molecule (CO) to an individual iron atom (Fe) sitting on a flat silver crystal, and chemically bind the CO to the Fe by applying a voltage.

Though biology clearly demonstrates that molecular machine systems are possible, non-biological molecular machines are today only in their infancy. Leaders in research on non-biological molecular machines are Dr. Alex Zettl and his colleagues at Lawrence Berkeley Laboratories and UC Berkeley. They have constructed at least three distinct molecular devices whose motion is controlled from the desktop with changing voltage: a rotating molecular motor, a molecular actuator, and a nanoelectromechanical relaxation oscillator.

Manufacturing in the context of productive nanosystems is not related to, and should be clearly distinguished from, the conventional technologies used to manufacture nanomaterials such as carbon nanotubes and nanoparticles.

Key characteristics

* Some nanodevices self-assemble. That is, they are built by mixing two or more complementary and mutually attractive pieces together so they make a more complex and useful whole. Other nanodevices must be built piece by piece in stages, much as manufactured items are currently made. Scanning probe microscopy is an important technique both for characterization and synthesis of nanomaterials. Atomic force microscopes and scanning tunneling microscopes can be used to look at surfaces and to move atoms around. By designing different tips for these microscopes, they can be used for carving out structures on surfaces and to help guide self-assembling structures. Atoms can be moved around on a surface with scanning probe microscopy techniques, but it is cumbersome, expensive and very time-consuming, and for these reasons it is quite simply not feasible to construct nanoscaled devices atom by atom. You don't want to assemble a billion transistors into a microchip by taking an hour to place each transistor, but these techniques may eventually be used to make primitive nanomachines, which in turn can be used to make more sophisticated nanomachines.

* Natural or man-made particles or artifacts often have qualities and capabilities quite different from their macroscopic counterparts. Gold, for example, which is chemically inert at normal scales, can serve as a potent chemical catalyst at nanoscales.

* "Nanosize" powder particles (a few nanometres in diameter, also called nano-particles) are potentially important in ceramics, powder metallurgy, the achievement of uniform nanoporosity, and similar applications. The strong tendency of small particles to form clumps ("agglomerates") is a serious technological problem that impedes such applications. However, a few dispersants such as ammonium citrate (aqueous) and imidazoline or oleyl alcohol (nonaqueous) are promising additives for deagglomeration. (Those materials are discussed in "Organic Additives And Ceramic Processing," by Daniel J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston.)

Difficulties

One of the problems facing nanotechnology concerns how to assemble atoms and molecules into smart materials and working devices. Supramolecular chemistry, a very important tool here, is the chemistry beyond the molecule, and molecules are being designed to self-assemble into larger structures. In this case, biology is used to find a potential solution: cells and their pieces are made from self-assembling biopolymers such as proteins and protein complexes. One of the things being explored is synthesis of organic molecules by adding them to the ends of complementary DNA strands such as ----A and ----B, with molecules A and B attached to the end; when these are put together, the complementary DNA strands hydrogen bonds into a double helix, ====AB, and the DNA molecule can be removed to isolate the product AB.

Advanced nanotechnology

Advanced nanotechnology, sometimes called molecular manufacturing, is a term given to the concept of engineered nanosystems (nanoscale machines) operating on the molecular scale. By the countless examples found in biology it is currently known that billions of years of evolutionary feedback can produce sophisticated, stochastically optimized biological machines, and it is hoped that developments in nanotechnology will make possible their construction by some shorter means, perhaps using biomimetic principles. However, K Eric Drexler and other researchers have proposed that advanced nanotechnology, although perhaps initially implemented by biomimetic means, ultimately could be based on mechanical engineering principles (see also mechanosynthesis)

In August 2005, a task force consisting of 50+ international experts from various fields was organized by the Center for Responsible Nanotechnology to study the societal implications of molecular nanotechnology [3].

Determining a set of pathways for the development of molecular nanotechnology is now an objective of a broadly based technology roadmap project [4] led by Battelle (the manager of several U.S. National Laboratories) and the Foresight Institute. That roadmap should be completed by early 2007.

There exists the potential to design and fabricate artificial structures analogous to natural cells and even organisms.

**donsaeid** · 09-19-2006, 01:36 PM

The term ‘nanotechnology’ encompasses a huge range of activities. 'Nano’ is used in the world of science to mean one billionth. E.g. a nanometer is a billionth of a metre. A nanometer is only ten atoms across! So generally nanotechnology is used to mean technology at the nanometer level. Nanotechnology attempts to achieve something useful through the manipulation of matter at this level.

To put it more formally, the Royal Society use the following definition: “Nanotechnologies are the design, characterization, production and application of structures, devices and systems by controlling shape and size at nanometer scale.”

At such scales, the ordinary rules of physics and chemistry no longer apply. For instance, materials' characteristics, such as their colour, strength, conductivity and reactivity, can differ substantially between the nanoscale and the macro. Carbon 'nanotubes' are 100 times stronger than steel but six times lighter.

nanotube
History

Physicist Richard Feynman gave a lecture to the American Physical Society in 1959 which foresaw advantages from manufacturing on a very small scale – e.g. in integrated circuits for computers, for sequencing genes by reading DNA molecules and using machines to make other machines with increasing precision.

However, the term ‘nanotechnology’ was first used by Norio Taniguchi in 1974, in a talk about how the accuracy of manufacturing had improved over time. He referred to ‘nanotechnology’ as that which achieved greater dimensional accuracy than 100nm.

Feynman also envisaged machines that could pick up and place individual atoms. This development of this idea was later assisted by the invention of the scanning probe electron microscope (SPM) which allowed scientists to ‘see’ and manipulate the individual atoms in a surface. In 1989 one of the defining moments in nanotechnology occurred when Don Eigler used a SPM to spell out the letters IBM in xenon atoms. For the first time scientists could put atoms exactly where they wanted them.

Molecular building blocks - Another great leap forward occurred in the shape of a new form of carbon. Harry Kroto from the University of Sussex, together with Richard Smalley and Robert Curl, discovered the carbon 60 molecule, which is shaped like a soccer ball. They named the molecular structure after the similarly shaped geodesic dome structure pioneered by the architect Buckminster Fuller. Unfortunately 'Buckminsterfullerene' is too long a name for most people and so they are often called 'Buckyballs'!

There are two fundamentally different approaches to nanotechnology, termed 'top down' and 'bottom up'.

'Top-down' nanotechnology features the use of micro- and nano-lithography and etching. Here, small features are made by starting with larger materials (e.g. semi-conductors) and patterning and “carving down” to make nanoscale structures in precise patterns. Complex structures including microprocessors containing hundreds of millions of precisely positioned nanostructures can be fabricated. Of all forms of nanotechnology, this is the most well established.

'Bottom-up', or molecular nanotechnology (MNT), applies to building organic and inorganic structures atom-by-atom, or molecule-by-molecule. Here we are using the forces of nature to assemble nanostructures – the term “self assembly” is often used. The self assembling properties of biological systems, such as DNA molecules, can be used to control the organization of species such as carbon nanotubes, which may ultimately lead to the ability to 'grow' parts of an integrated circuit, rather than having to rely upon expensive 'top-down' techniques.

Nanotechnologies are widely seen as having huge potential in areas as diverse as healthcare, IT and energy storage. Governments and businesses across the world have started to invest substantially in their development. However there are also concerns regarding the safety of nanotechnology. These range from the more fanciful (such as Eric Drexler’s imagined scenario of a world reduced to “grey goo”, caused by self-replicating nano-robots) to the more realistic (such as the possible dangers of foreign nano-particles entering human organs and the bloodstream).

**donsaeid** · 09-19-2006, 01:36 PM

Nanoparticles Boost Delivery of Cisplatin to Tumor Cells

Cisplatin is one of the most powerful and effective drugs for treating a wide variety of cancers, but many tumors develop resistance to this drug, ultimately limiting its benefits for cancer patients. Now, however, researchers have developed a nanoparticulate formulation of cisplatin that shows promise for overcoming drug resistance while boosting the amount of drug that accumulates inside malignant cells.

Reporting its work in the journal Langmuir, a team of investigators led by Ratnesh Lal, Ph.D., of the University of California, Santa Barbara, describes its development and characterization of a nanoscale liposome capable of ferrying cisplatin across the cell membrane of tumor cells. Using atomic force microscopy (AFM), the researchers were able to fully characterize the size distribution, drug encapsulation efficiency, stability, and cell uptake of their cisplatin liposomes.

The investigators identified several key physical characteristics, all easily measured using AFM, that enabled them to accurately measure cisplatin encapsulation in the liposomes. Past efforts by many research groups to encapsulate cisplatin within a liposome were judged unsuccessful, in part because of the difficulty in tracking the efficiency of drug encapsulation. In this case, the researchers found that the stiffness of any given liposome, measured using AFM force mapping, correlated with the amount of cisplatin encapsulated within that liposome.

By adding a fluorescent label to the liposomes, the investigators were able to monitor uptake by ovarian cancer cells growing in culture and to track their cell-killing properties. These studies showed that the cisplatin-loaded liposomes crossed the cell membrane in large numbers. More importantly, massive cell death occurred as a result, particularly when the cells were treated with smaller cisplatin-loaded liposomes, i.e., those with diameters less than 250 nanometers.

**donsaeid** · 09-19-2006, 01:37 PM

Trenches create memory space

The requirements are tightening up. Computers are having to become more and more efficient. A new technology boosts memory capacity: etching the silicon wafer creates deep trenches that increase its capacity to store data.

Computers are required to become more and more efficient. Inevitably, this involves greater demands on memory devices as well: they should be as small, strong, fast, and economical as possible – and always stay cool, if you please! Only memory modules – known in technical terminology as DRAM – which outstrip their rivals in these areas, have any chance of a future career in PCs, laptops, mobile communications, the entertainment industry and the gigantic server parks of Internet service providers.

The memory business generates a worldwide sales volume of 25 billion dollars a year. The pressure to innovate is relentless, and only manufacturers with the best technologies and the most efficient production methods can survive. The world’s second-largest supplier in the hotly contested DRAM market is the Dresden-based chip manufacturer Qimonda. The new company, a wholly-owned Infineon subsidiary, currently produces memory components based on 90-nanometer technology, and is striving to be able to etch structures only 65 nanometers wide on the silicon wafers in the not-too-distant future.

Qimonda is supported by engineers at the Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS in Dresden. The team of researchers led by Tobias Mayer-Uhma, Falko Schlenkrich and Ingolf Endler has developed a new etch-resistant film that will make it possible to produce deeper and narrower “trenches”, for it is this that makes the vital difference in memory chip production. After a series of complex processing steps such as photolithography, etching and polishing, an etch-resistant silicon dioxide film, known as the “hard mask”, is applied. This film contains the structures into which the trenches are later etched using an etching gas. Subsequently filling up such a trench with dielectric material produces a capacitor. The deeper the trenches are etched, the more wall surface is available and the greater is the capacitance.

“We provide the technology for manufacturing and etching these masks,” explains Mayer-Uhma. In order to etch increasingly deep trenches, the Fraunhofer researchers are developing and testing more reactive gas mixtures along with correspondingly more robust mask materials. Masks made of aluminum nitride – which is five times more resistant to etching gas than silicon dioxide – are currently being tested at the team’s own modified vapor deposition facility.

**donsaeid** · 09-19-2006, 01:38 PM

Principles of Nano-Optics (Hardcover)
by Lukas Novotny

Authors: Lukas Novotny and Bert Hecht
Release Date: 01 June, 2006
Publisher: Cambridge University Press

Nano-optics is the study of optical phenomena and techniques on the nanometer scale, that is, near or beyond the diffraction limit of light. It is an emerging field of study, motivated by the rapid advance of nanoscience and nanotechnology which require adequate tools and strategies for fabrication, manipulation and characterization at this scale. In Principles of Nano-Optics the authors provide a comprehensive overview of the theoretical and experimental concepts necessary to understand and work in nano-optics. With a very broad perspective, they cover optical phenomena relevant to the nanoscale across diverse areas ranging from quantum optics to biophysics, introducing and extensively describing all of the significant methods. This is the first textbook specifically on nano-optics. Written for graduate students who want to enter the field, it includes problem sets to reinforce and extend the discussion. It is also a valuable reference for researchers and course teachers.

**donsaeid** · 09-19-2006, 01:39 PM

Top Ten Nano Best Sellers

* 1. Soft Machines - Nanotechnology and Life
by Jones, Richard A. L.

* 2. Nanotechnology for Dummies
by Booker, Richard

* 3. The Next Big Thing Is Really Small: How Nanotechnology Will Change the Future of Your Business
by Uldrich, Jack

* 4. Nanotechnology - Gentle Introduction to the Next Big Idea
by Ratner, Mark

* 5. Nanotechnology
by Kohler, M.

* 6. Nanotechnology and Nano-Interface Controlled Electronic Devices
by Iwamoto, M. Kaneto, K . & Mashiko, S.

* 7. Nanotechnology
by Timp, Gregory

* 8. Military Nanotechnology: New Technology and Arms Control
by Altmann, Jurgen.

* 9. Nanoparticles - Building Blocks for Nanotechnology
by Rotello, Vincent

* 10. Introduction to Nanotechnology - Selected Topics
by Poole, Charles P.

**Sepideh_UK** · 09-19-2006, 02:31 PM

Intresting.
Thanx agha saeid.

**donsaeid** · 09-20-2006, 06:32 AM

welcome khanom sepideh!

this is a very very important technology for now and even more important for future and Space age

**donsaeid** · 09-27-2006, 05:21 AM

آیا بیونانوتكنولوژی با نانوبیوتكنولوژی متفاوت است

مهدی رهایی

بیو مقدم بر نانو

با پیشرفت علم و تكنولوژی در جهان، مرتبا بر تعداد واژه های تخصصی افزوده می شود. در این میان، گسترش علوم و تكنولوژی نانو و تعامل آن با بیوتكنولوژی، منجر به تولید و كاربرد واژه هایی چون بیونانوتكنولوژی و نانوبیوتكنولوژی در گفته ها و نوشته های محققان مختلف در سطح جهان شده است. آشنایی محققان و سیاستگذاران علمی كشور با این واژه ها، می تواند آنها را در مطالعات و تصمیم گیری ها یاری كند. در این مطلب، سعی شده است با استفاده از منابع اینترنتی، مقالات و كتب موجود و همچنین استفاده از نظرات برخی متخصصین امر، تعاریف ساده ای از دو واژه بیونانوتكنولوژی و نانوبیوتكنولوژی ارائه شود.
مفهوم و زمینه كاربرد بیونانوتكنولوژی
تلفیق بیوتكنولوژی با فناوری نوظهور نانوتكنولوژی، مباحث جدیدی را بین محققان، هم در سطح دانشگاهی و هم در حوزه صنعت به وجود آورده است. نتیجه این تلفیق، ظهور «بیونانوتكنولوژی» به عنوان یك زمینه تحقیقاتی بین رشته ای است كه به سرعت در حال رشد و توسعه است و با مقوله علم و مهندسی در سطح مولكول ارتباط دارد. برخی از صاحب نظران، بیونانوتكنولوژی را به عنوان زیرمجموعه ای از نانوتكنولوژی، به این صورت تعریف كرده اند: «مطالعه و ایجاد ارتباط بین بیولوژی مولكولی ساختاری و نانوتكنولوژی مولكولی». برخی دیگر، آن را به عنوان زیرمجموعه ای از بیوتكنولوژی بدین شكل تعریف كرده اند: «به كارگیری پتانسیل بالقوه بیولوژی در ساخت و سازماندهی ساختارهای پیچیده با استفاده از مواد ساده و با دقت در حد اتم». در این زمینه، تنها تفاوتی كه بین بیونانوتكنولوژی و بیوتكنولوژی وجود دارد این است كه طراحی و ساخت در مقیاس نانو جزء لاینفك پروژه های بیونانوتكنولوژی است در حالی كه در پروژه های بیوتكنولوژی، نیازی به فهم و طراحی در حد نانو نیست.
چنان كه ملاحظه می شود برخلاف تعریف «بیوتكنولوژی» كه به معنی فناوری استفاده از موجودات و اجزای موجودات زنده در راستای نیازهای صنایع مختلف است و همچنین برخلاف تعاریف واژه هایی چون «بیومتریال» و «بیومكانیك» كه معمولا به معنی استفاده از قابلیت های فناوری های «مواد» و یا «مكانیك» در كاربردهای زیستی است، در تعریف بیونانوتكنولوژی، هم كاربرد ابزارهای بیولوژیكی به عنوان سازمان دهنده و ماده اولیه جهت ساخت محصولات و مواد نانویی، مورد توجه است و هم كاربرد محصولات تولیدی تكنولوژی نانو، جهت مطالعه وقایع درون سلول های زنده و تشخیص و معالجه بیماری ها. آنچه مسلم است ظهور این زمینه تحقیقاتی، حاصل تغییر عقیده بسیاری از محققان در استفاده از راهكارهای پایین به بالا Bottom-Up approach به جای استفاده از راهكار بالا به پایین Top-Down approach جهت ساخت وسایل و مواد بسیار ریز است. در راهكارهای بالا به پایین نانوتكنولوژی، سعی بر این است كه وسایل موجود مرتبا كوچك تر شوند به این راهكار، نانوتكنولوژی مكانیكی نیز گفته می شود. اما در راهكار پایین به بالا، هدف ایجاد ساختارهای ریز از طریق اتصال اتم ها و مولكول ها به یكدیگر است در این راهكار از الگوهای بیولوژیكی بهره گیری می شود.
محصولات و زمینه های فعالیت بیونانوتكنولوژی
برخی از محصولات و زمینه های فعالیت بیونانوتكنولوژی عبارتند از:
۱ بیونانوماشین ها: مهم ترین زمینه كاربرد بیونانوتكنولوژی، ساخت بیونانوماشین ها ماشین های مولكولی با ابعادی در حد نانومتر است. در یك باكتری هزاران بیونانوماشین مختلف وجود دارد. نمونه آنها، ریبوزوم دستگاه بسته بندی پروتئین است كه محصولات نانومتری پروتئین ها را تولید می كند. از خصوصیات خوب بیونانوماشین ها به عنوان مثال حسگرهای نوری یا آنتی بادی ها، امكان هیبریدكردن آنها با وسایل سیلیكونی با استفاده از فرآیند میكرولیتوگرافی است. به این ترتیب با ایجاد پیوند بین دنیای نانویی بیونانوماشین و دنیای ماكروی كامپیوتر، امكان حسگری مستقیم و بررسی وقایع نانویی را می توان به وجود آورد. نمونه كاربردی این سیستم، ساخت شبكیه مصنوعی با استفاده از پروتئین باكتریورودوپسین است.
۲ مواد زیستی: كاربرد دیگر بیونانوتكنولوژی، ساخت مواد زیستی مستحكم و زیست تخریب پذیر است. از جمله این مواد می توان به DNA و پروتئین ها اشاره كرد. موارد كاربرد این مواد و به خصوص در زمینه پزشكی متعدد است. از جمله موارد كاربرد این مواد، استفاده از آنها به عنوان بلوك های سازنده نانومدارها و در نهایت ساخت وسایل نانویی Nano-Device است.
۳ موتورهای بیومولكولی: موتورهای بیومولكولی، موتورهای محركه سلول هستند كه معمولا از دو یا چند پروتئین تشكیل شده اند و انرژی شیمیایی عموما به شكل ATP را به حركت مكانیكی تبدیل می كنند. از جمله این موتورها، می توان به پروتئین میوزین باعث حركت فیلامنت ها می شود، پروتئین های درگیر در تعمیر DNA یا ویرایش RNA به عنوان مثال، آنزیم های برشی و ATPase اشاره كرد. از این موتورها در ساخت نانوروبات ها و شبكه هادی ها و ترانزیستورهای مولكولی قابل استفاده در مدارهای الكترونیكی استفاده می شود.
نانوبیوتكنولوژی و رابطه آن با بیونانوتكنولوژی
اما نانوبیوتكنولوژی نیز واژه دیگری است كه در سال های اخیر، محققان و صاحب نظران در كتب، مقالات و كنفرانس ها به كار می برند. طبق تعریف برخی از این محققان، نانوبیوتكنولوژی، زیرمجموعه ای از نانوتكنولوژی است كه در آن از ابزارها و فرآیندهای نانویی و میكرونی برای ساخت و تهیه محصولاتی استفاده می شود كه در مطالعه سیستم های زنده استفاده می شوند. برخی دیگر از محققان، نانوبیوتكنولوژی را زمینه ای از نانوتكنولوژی می دانند كه در آن از سیستم های بیولوژیكی موجود، همچون سلول، اجزای سلولی، اسیدهای نوكلئیك و پروتئین ها برای ایجاد ساختارهای نانویی تلفیقی مركب از مواد آلی و معدنی استفاده می شود.
اگر به مفهوم و هدف دو زیرشاخه نانوتكنولوژی یعنی بیونانوتكنولوژی و نانوبیوتكنولوژی نگاه شود، می توان فهمید كه اهداف هر دو شاخه یعنی تولید محصولاتی كه جهت مطالعه سیستم های زنده به كار می روند و همچنین فرآیندها و مقیاس فعالیت هر دو شاخه یعنی مقیاس های در سطح نانو، تقریبا یكسان است. بنابراین می توان این دو شاخه را به صورت كلی با نام نانوبیوتكنولوژی نامید. منتها زمانی كه به طور صرف، از الگوها و مواد زیستی جهت ساخت وسایل در ابعاد نانو استفاده می شود، بهتر است پیشوند «بیو» مقدم بر پیشوند «نانو» بیاید. در این حالت، كاربرد واژه بیونانوتكنولوژی تخصصی تر از واژه نانوبیوتكنولوژی خواهد بود. می توان بیونانوتكنولوژی را شكلی خاص از نانوبیوتكنولوژی دانست كه مبنای آن، استفاده از موادزیستی برای مثال پروتئین ها یا DNA جهت ساخت وسایل نانویی است اما در هنگام استعمال واژه نانوبیوتكنولوژی، استفاده از ابزارهای نانویی در كاربردهای بیولوژیك نیز مورد نظر خواهد بود. بار دیگر تٲكید می شود كه كاربرد هر كدام از این دو واژه، تا حد زیادی سلیقه ای است و به زمینه تخصصی محققان مختلف بستگی دارد.
نتیجه گیری و چشم انداز
از مجموع مباحث فوق نتیجه گرفته شد كه «بیونانوتكنولوژی» یك حوزه نوین ناشی از تلفیق علوم زیستی و مهندسی در حوزه نانو است كه افق های جدیدی را در زمینه ساخت و توسعه سیستم های تلفیقی به وجود آورده و محققان را امیدوار كرده است كه بتوانند از این تلفیق، در ساخت نانوساختارهایی استفاده كنند كه در آنها از مولكول های بیولوژیكی به عنوان اجزای سیستم مورد نظر استفاده شود، به عنوان مثال، از استراتژی طراحی بیولوژیك مثلا، حالت زیپ مانند مولكول دورشته ای DNA بتوانند در ساخت چارچوب های جداشدنی و الگویی برای چینش Assembly پایین به بالای فرآیندی كه طی آن، سازماندهی مولكولی، بدون دخالت نیروی خارجی صورت می گیرد مواد معمول تر استفاده كنند. این توانمندی نه تنها در حل مسائل مهمی در علوم زیستی چون كاوش و شناسایی دقیق ساختار موجودات زنده كاربرد خواهد داشت، بلكه می تواند محققان را در رفع چالش های عمده مهندسی همچون نیاز به تكنیك های نوین جهت سنتز مواد و دستكاری آنها یاری دهد و به این ترتیب دنیای نانو را به دنیای ماكرو وصل كند. به عبارت دیگر این شاخه مهم علمی یعنی بیونانوتكنولوژی، به زودی قابلیت كاربرد در حوزه های مختلف غیرزیستی و حوزه های كاربردی ماكرو را خواهد داشت كاربردهایی كه هرچند در حوزه زیستی نیستند ولی الهام گرفته از فرآیندهای زیستی Bio-inspired هستند.

**donsaeid** · 10-03-2006, 11:15 AM

گذري بر كاربردهاي فناوري*نانو در صنعت آب‏

نانوفيلتراسيون يك روش مفيد بين روش*هاي اسمز معكوس و اولترافيلتراسيون است. اولترافيلتراسيون به دليل بالاتر بودن مقدار آلاينده*هاي معدني و قليايي نسبت به حد مجاز و روش اسمز معكوس به دليل توليد خلوص بيش از حد محصول و بالا بودن قيمت داراي نقايصي هستند.

جمعيت جهان در حال افزايش و منابع آب آشاميدني رو به كاهش است؛ بنابراين ممكن است جهان در آينده با مشكل كمبود آب مواجه شود. افزايش مصرف آب و كمبود حاصل از آن كه بر اثر آلودگي نيز تشديد مي*شود سبب شده*است تا تأمين آب بهداشتي به يكي از دغدغه*هاي اساسي جامعه جهاني تبديل شود.
امراض ناشي از آلودگي*هاي آب هرروزه هزاران و شايد دهها هزار نفر را مي*كشد. توانايي بازيافت آب، امكان دسترسي به يك منبع مناسب براي مصارف گوناگون را ايجاد مي*كند. با به كارگيري فناوري*هاي الكتريكي و مكانيكي به *سادگي مي**توان آب آلوده را براي استفاده در كشاورزي و يا حتي براي مصارف خانگي بازيافت نمود. بدين*ترتيب فيلترنمودن آب با فيلترهاي نانومتري، تحولي عظيم در بازيافت و استفاده مجدد از آب*هاي صنعتي و كشاورزي ايجاد مي*كند.
فيلترهاي فيزيكي با منافذي در حد نانومتر مي*توانند باكتري*ها، ويروس*ها و حتي واحدهاي كوچك پروتئين را صددرصد غربال كنند. با جداساز*هاي الكتريكي كه يون*ها را به وسيله صفحات ابرخازن جذب مي*كند مي*توان نمك*ها و مواد سنگين را جذب كرد. بررسي* فعاليت*هاي مختلف دنيا، شامل برنامه*هاي در دست اجرا و برنامه*هاي آتي مراكز صنعتي و پژوهشي، نشان مي*دهد كه حوزه تصفيه يكي از حوزه*هاي كاربرد فناوري*نانو در صنعت آب است؛ و با بهره*گيري از آن، هزينه*هاي تصفيه آب به ميزان زيادي كاهش خواهد يافت.
دو زمينه اصلي در اين عرصه عبارتند از:
فيلترهاي نانومتري به منظور افزايش بازيابي آب در سيستم*هاي موجود؛
نانوحسگرهاي زيستي به منظور تشخيص سريع و كامل آلودگي*هاي آب.
در اين مقاله به بررسي تعدادي از كاربردهاي فناوري*نانو در صنعت آب مي*پردازيم.

نانوفيلتراسيون

فناوري*هاي جديد، امكان توليد آب نانوفيلتر شده را در مقياس انبوه فراهم مي*كند. آب تصفيه*شده به وسيله نانوفيلتراسيون به اندازه آب*معدني تصفيه*شده ارزش دارد. با استفاده از نانوفيلتر، مواد معدني لازم براي سلامت انسان در آب باقي مانده و مواد سمي و مضر، از آن حذف مي*شود. نانوفيلتراسيون يك روش مفيد بين روش*هاي اسمز معكوس و اولترافيلتراسيون است. اولترافيلتراسيون به دليل بالاتر بودن مقدار آلاينده*هاي معدني و قليايي نسبت به حد مجاز و روش اسمز معكوس به دليل توليد خلوص بيش از حد محصول و بالا بودن قيمت داراي نقايصي هستند.
دانشمندان دانشگاه باناراس (Banaras) روش ساده*اي براي توليد فيلترها با استفاده از نانولوله*هاي كربني توسعه داده*اند كه قادر به حذف مؤثر آلاينده*هاي ميكرو* و نانومقياس از آب و نيز حذف هيدروكربن*هاي سنگين از نفت خام است. استفاده از نانولوله*هاي كربني در ساخت فيلترها سبب سهولت در تميز كردن، افزايش استحكام، قابليت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما مي*شود. اين فيلترها داراي دقت بسيار مناسبي در كاربردهاي مختلف هستند، به عنوان مثال قادرند پوليوويروس*هايي با اندازه 25 نانومتر را به خوبي پاتوژن*هاي بزرگ*تري مانندE. Coil و باكتري*هاي استافيلوكوك، از آب حذف نمايند. نانوفيلتراسيون داراي مزايايي مانند قيمت پايين، و كنترل مقدار كاهش آلاينده*ها در آب تصفيه شده است.
شركت آرگونايد (argonide) در حال استفاده از نانوفيبرهاي اكسيد آلومينيوم با اندازه دو نانومتر براي تصفيه آب است. فيلترهايي كه از اين فيبرها ساخته شده*اند، مي*توانند ويروس*ها، باكتري*ها و كيست**ها را از بين ببرند.

غشاء نانو لوله*اي

محققان آزمايشگاه مليLawrence Livermore با همكاري دانشگاه بركلي كاليفرنيا غشاهايي با حفره*هايي از جنس نانولوله*هاي كربني ساخته*اند كه به كمك آن امكان جداسازي ارزان*تر گاز و مايع فراهم مي*شود. در حال حاضر اغلب غشاهاي موجود از جنس مواد پليمري هستند كه براي كاربردهاي دما بالا مناسب نيست. استفاده از اين نوع غشاها نمي*تواند توازن قابل قبولي بين ورودي غشا و قابليت انتخاب آن برقرار نمايد، يعني ورودي بالا منجر به كاهش انتخاب*پذيري است و بالعكس؛ اما دانشمندان با استفاده از نانولوله*هاي كربني توانسته*اند اين دو امر به ظاهر متضاد را با هم جمع و امكان انتخاب*پذيري خوب همراه با ورودي بالا را فراهم كنند.
اين محققان توانسته*اند روشي براي ساخت اين غشاها بيابند كه با سيستم*هاي ميكروالكترومكانيكي (MEMS) هم سازگار باشد. اين غشاهاي جديد با حفره*هاي كوچك*تر و با تراكم بسيار و امكان عبور شدت جريان زياد از هر حفره، از لحاظ گذردهي آب و هوا نسبت به غشاهاي پلي*كربناتي فعلي بسيار برترند. اين غشاهاي بهبود يافته كاربردهاي فراواني در تصفيه آب دارند.
كامالش سيكار(Kamalesh Sirkar) در مؤسسه فناوري نيوجرسي از روش جداسازي غشايي در شيرين*سازي آب استفاده كرده *است. در روش جداسازي غشايي، آب شور داغ را روي ورقه نازكي از غشايي داراي سوراخ*هاي ريز موسوم به نانوحفره مي*ريزند. اين حفره*ها آنقدر كوچكند كه تنها بخار مي*تواند از آنها عبور كند و آب، مايع، نمك*ها و مواد معدني ديگر در پشت غشا مي*مانند. در طرف ديگر محفظه*اي از آب سرد قرار دارد كه بخار با عبور از آن، كندانس شده و دوباره به مايع تبديل مي*شود. ابزاري كه در اين روش به كار رفته است، عبارت است از دستگاهي مستطيل شكل با مجموعه*اي از غشاهاي الياف مانند توخالي كه مايع به طور عرضي در آن جريان مي*يابد. اين غشاها به صورت هزاران لوله به شكل تار مو در آمده، سپس آنها را به صورت بسته*هايي داخل يك جعبه قرار مي*دهند. در اين شكل نمونه آزمايشي از اين دستگاه آب شيرين*كن نشان داده شده است. در قسمت وسط، دسته*اي از هزاران لوله توخالي شبيه تارمو قرار دارد. جداره اين لوله*ها را هم غشاهايي با نانوحفره*هاي كوچك تشكيل مي*ده

**donsaeid** · 10-03-2006, 11:16 AM

تصفيه آب به كمك نانوذرات

نانوذرات لانتانيوم توليدي شركت آلتايرنانو (Altairnano) فسفات را از محيط*هاي آبي جذب مي*كند. به*كارگيري اين نانوذرات در حوضچه*ها و استخرهاي شنا مي*تواند به طور مؤثري فسفات موجود را از بين برده و در نتيجه از رشد جلبك*ها جلوگيري نمايند. تحقيقات دانشگاه Lehigh آمريكا نشان مي*دهد كه نانوپودرها مي*توانند به عنوان ابزاري مناسب براي پاك*سازي خاك*هاي آلوده و آب*هاي زيرزميني استفاده شوند. نانوذرات آهن موجب اكسيده و درهم شكستگي تركيبات آلوده كننده مانند تري*كلرواتيلن، تتراكلريد كربن، ديوكسين*ها وPCB ها شده، آنها را به تركيبات كربني با درجه سميت بسيار پايين* تبديل مي*كند .
براي از بين بردن اغلب فلزات سنگين موجود در آب، روش تصفيه كاتاليزوري گزينه مناسبي نيست، بنابراين محققان به جاي آن از روش*هاي جذب روي پليمرها و يا ذرات افزودني استفاده مي*كنند. آرسنيك از آلاينده*هاي بسيار سمي رايجي است كه هم به طور طبيعي و هم به شكل پساب*هاي بشري باعث آلودگي آب مي*شود. مصرف اين ماده سبب افزايش سرطان*هاي مثانه و روده* مي*شود. در سطح جهان آمار مسموميت با آرسنيك بسيار بالا است و در بسياري از كشورهاي در حال توسعه مانند بنگلادش كه بيش از 10 تا 20 درصد جمعيت آن دچار مسموميت با آرسنيك شده*اند، يك فاجعه بهداشتي تلقي مي*شود. اغلب آلايندگي*هاي ناشي از آرسنيك به كشورهاي جهان سوم اختصاص دارد. به اين ترتيب نياز شديدي به فناوري*هاي نوين احساس مي*شود تا بتوان آلاينده*هاي فلزي سنگين مانند آرسنيك را از آب آشاميدني حذف كرد. به همين منظور محققان دانشگاه رايس، از نانوبلورهاي مغناطيسي به عنوان هسته اصلي سيستم*هاي تصفيه جديد استفاده كرده*اند.
سطوح معدني آهني نه تنها تمايل شديدي به جذب آرسنيك دارند، بلكه با انتخاب اندازه مناسب مي*توان به راحتي اين ذرات مغناطيسي را به واسطه جداسازي مغناطيسي از آب جدا كرد. نانوذرات همان كارايي توده آهني را در جذب آرسنيك دارند. در واقع نه تنها ظرفيت جذب آرسنيك آنها بالاتر است، بلكه به محض قرار گرفتن اين ماده در كنار نانوذرات جدا كردن آنها سخت مي*شود. در نظر گرفتن تمام اين نتايج، نشان مي*دهد كه نانوذرات مغناطيسي جاذب*هاي بسيار كارامدي براي آرسنيك خصوصاً در pH پايين هستند و خاصيت جذبي غيرقابل برگشت آنها مخزن مناسبي را براي جمع*آوري آلاينده*ها فراهم مي*كند.

تصفيه پساب*هاي صنعتي

پساب*هاي صنعتي صنايع شوينده، غني از اكسيژن بيوشيميايي و مواد فعال شيميايي است كه بايد در فرايندهاي تصفيه از آب زدوده شود. يكي ديگر از موادي كه در پساب*هاي صنعتي فراوان يافت مي*شود مواد نامحلول روغني شامل روغن*ها و گريس*هاست. حضور اين مواد فرايند پالايش آب را دچار مشكل مي*كند. يكي از روش*هاي اقتصادي براي تصفيه اين مواد، استفاده از سيستم*هاي تركيبي ميكروفيلتراسيون-نانوفيلتراسيون است. در اين سيستم*ها از ميكروفيلتراسيون براي زدودن ذرات معلق مانند روغن*ها و گريس*ها و از نانوفيلتراسيون براي حذف پاك*كننده*ها استفاده مي*شود.

تصفيه فاضلاب*ها

محققان دانشگاهUniSA در استراليا به دنبال توسعه روش منحصر به فردي براي تصفيه فاضلاب*ها هستند كه بدون استفاده از مواد شيميايي گران قيمت، كيفيت آب را بيشتر از روش*هاي موجود بهبود مي*بخشد. آخرين مرحله تصفيه آب، حذف موجودات زنده بسيار ريز است. در حال حاضر از كلر به عنوان ماده ضدعفوني*كننده استفاده مي*شود، ولي در اين حالت حتي بعد از تصفيه هم تركيبات ارگانيك زيادي در آب حضور دارند. كلر موجودات زنده ريز را از آب حذف مي*كند، ولي با آلاينده*هاي ارگانيك واكنش داده، محصولات جانبي تجزيه*ناپذير و سمي توليد مي*كند كه نمي*توان آنها را از آب حذف كرد. انتقال اين مواد به محيط*زيست و استفاده از آنها در كشاورزي و ديگر صنايع مي*تواند مشكلات بهداشتي جدي ايجاد كند.
تصفيه فاضلاب به كمك نانوكاتاليزور نوري مي*تواند جايگزين سومين مرحله تصفيه يعني ضد عفوني با كلر شود تا موجودات زنده ريز و تركيبات آلي را به طور همزمان حذف و فاضلاب را به يك منبع آب مناسب تبديل كند. به طور طبيعي موجودات زنده ريز، تركيبات ارگانيك بزرگ را كوچك*تر مي*كنند؛ اما از آنجا كه اين تركيبات به طور زيستي تجزيه ناپذيرند، ما مجبور به استفاده از نوعي انرژي براي تجزيه آنها هستيم. اين انرژي از اشعه فرابنفش نور خورشيد گرفته مي*شود و به همراه كاتاليزورهاي نوري مورد استفاده قرار مي*گيرد.
انرژي توليد شده از واكنش سلول كاتاليزوري نوري مي*تواند موجودات زنده ريز را كشته و تركيبات تجزيه*ناپذير را تجزيه كند. اين فرايند به دليل امكان استفاده مجدد از كاتاليزورهاي نوري، بسيار مقرون به صرفه است . ذرات كاتاليزوري چه به صورت همگن در محلول پراكنده شده يا روي ساختارهاي غشايي رسوب داده شده باشند، مي*توانند ما را از تجزيه شيميايي آلاينده*ها مطمئن سازند.
اثر افزودن فلزات مختلف در بهبود فعاليت كاتاليزوري شناخته شده است و دانشمندان از آن در حذف تري*كلرواتيلن (TCE) از آب*هاي زيرزميني استفاده كرده*اند. تحقيقات مركز فناوري*نانوي زيست*محيطي (CBEN) دانشگاه* رايس نشان مي*دهد نانوذرات طلا و پالاديم، كاتاليست*هايي بسيار مؤثر براي حذف آلودگي*TCE از آب هستند.
مزيت*هاي حذف TCE با پالاديم به خوبي مشخص است ولي اين روش تا حدودي پرهزينه است. با به كارگيري فناوري*نانو مي*توان تعداد اتم*هاي در تماس با مولكول*هاي TCEو در نتيجه كارايي اين كاتاليست را چندين برابر كاتاليست*هاي رايج افزايش داد. TCE حلال رايج در روغن زدايي از فلزات و قطعات الكترونيكي، يكي از مواد آلي سمي رايج در منابع آب است و در 60 درصد پسماندهاي صنعتي به عنوان آلودگي وجود دارد. تماس آن با بدن باعث صدمه زدن به كبد و بروز سرطان مي*شود. كاتاليست*هاي شيميايي نسبت به كاتاليست*هاي زيستي بسيار سريع*تر عمل مي*كنند ولي بسيار گران هستند. يكي از مزيت*هاي كاتاليست*هاي پالاديم براي تجزيه TCE اين است كه پالاديم، اين ماده را مستقيماً به ماده غيرسمي اتان تبديل مي*كند. در حالي كه كاتاليست*هاي رايج مانند آهن، آن را به برخي مواد واسطه سمي مانند وينيل*كلرايد تبديل مي*كنند.
محققان دانشگاه رايس روش جديدي را توسعه داده*اند كه طي آن نانوبلورهاي تيتانيوم با سطح ويژه بالا (بيش از 250 m2/g براي حذف آروماتيك*هاي آلي توليد مي*شوند. اين مواد تحت تابش اشعه فرابنفش، قابليت اكسيداسيون نوري بسياري از مولكول*ها را پيدا مي*كنند.
همچنين C60 كاتاليزور نوري بسيار خوبي است كه كارايي آن صدها برابر بيش از تيتانياي موجود در بازار است. توليد راديكال آزاد به وسيله C60 متراكم در آب، امكان تجزيه آلاينده*ها را فراهم مي*كند.

محققان آزمايشگاه ملي پاسيفيك نورث*وست آمريكا، از سراميك*هاي نانوحفره*اي كه با تك*لايه*هاي تيول (SH)، عامل*دار شده بودند، براي جيوه*زدايي از آب استفاده كردند. تك*لايه*هاي خودسامان تيول بر روي سيليكاي ميان*حفره*اي (Thiol-SAMMS) مي*توانند كاربردهايي در تصفيه فاضلاب نيروگاه*هاي زغال*سنگي داشته *باشند. اين نيروگاه*ها از منابع اصلي آلودگي جيوه به شمار مي*روند. محققان زيرلايه**اي از جنس سيليكاي ميان*حفره*اي را با ميانگين اندازه حفرات 5.6 نانومتر و سطح ويژه 900 m2/g به*كار بردند. آنها با افزودن تك*لايه*اي از تيول*هاي قليايي به حفرات اين سراميك، آن را فعال ساختند. دسترسي به يك فناوري براي حذف جيوه كه علاوه بر انتخاب*گري، ظرفيت جذب بالا و سينتيك جذب مناسب، منجر به توليد پسماندي پايدار گردد، يكي از نيازهاي فوري در زمينه تصفيه جيوه است. نه*تنها كارايي روش*هاي متعارف حذف جيوه، پايين*تر از اين روش است؛ بلكه اين روش*ها منجر به توليد مقادير زيادي پسماند مي*شوند. ماده جديد علاوه بر پاكسازي فاضلاب نيروگاه*هاي زغال*سنگي مي*تواند در تصفيه پسماندهاي راديواكتيو، توليد باتري و مصارف دندانپزشكي نيز به*كار رود.

**donsaeid** · 10-30-2006, 03:15 AM

هفت اصل در گزارشگري فناوري*نانو

: شركت Nanotech، جهت فراهم نمودن يك مبنا براي روزنامه*نگاراني كه در مورد فناوري*نانو يا شركت*هاي مربوطه مطلب مي*نويسند، رعايت اصول زير را پيشنهاد مي*كند: هفت چيزي كه هر گزارشگر تهيه كننده گزارش در مورد نانو بايد بداند، و هفت سؤال كه او بايد از هر شركت فناوري*نانو بپرسد.

مقدمه

فناوري*نانو، حداقل در زمينه روزنامه*نگاري، به يك صنعت روبه رشد تبديل شده است. در سال 2004، حدود 12343 مطلب در زمينه فناوري*نانو به چاپ رسيده است (اين عدد حدود ده برابر تعداد شركت*هايي است كه واقعاً در زمينه نانو كار مي*كنند) ؛ در حالي كه در سال 2003 اين رقم برابر 7631 بود. در دو ماهه اول سال 2005، فقط كلمه فناوري*نانو بيش از 2600 بار در انتشارات عمومي ذكر شده است. اغلب اوقات اين مطالب اطلاعات مفيد كمي براي افزايش درك خواننده عمومي از فناوري*نانو دربردارند و حتي در بسياري موارد، خواننده در تشخيص تفاوت مابين واقعيت و رويا سردرگم مي*شود.
شركت Nanotech، جهت فراهم نمودن يك مبنا براي روزنامه*نگاراني كه در مورد فناوري*نانو يا شركت*هاي مربوطه مطلب مي*نويسند، رعايت اصول زير را پيشنهاد مي*كند: هفت چيزي كه هر گزارشگر تهيه كننده گزارش در مورد نانو بايد بداند، و هفت سؤال كه او بايد از هر شركت فناوري*نانو بپرسد.

هفت چيزي كه هر گزارشگر، فناوري* نانو در مورد نانو بايد بداند؛

1- هر چيزي كه كوچك باشد، نانو نيست.

با وجودي كه پيشوند نانو در فناوري*نانو به مفهوم يك ميليارديم يك متر است (حدوداً طول ده اتم هيدروژن كه كنار هم در يك خط قرار گرفته*اند) ؛ اما هر چيزي كه كوچك باشد، بر مفهوم فناوري*نانو دلالت نمي*كند. پيشگامي ملي فناوري*نانو بيان مي*دارد كه براي اينكه يك تحقيق يا محصول نام فناوري*نانو را به خود بگيرد، بايد هر سه شرط زير را داشته باشد:

توسعه تحقيق و فناوري در سطح اتمي، مولكولي يا ماكرومولكولي، و در مقياس طولي حدود يك تا صد نانومتر.

ايجاد و استفاده از ساختارها، ابزارها و سيستم*هايي كه به دليل داشتن اندازه كوچك و/يا متوسط، ويژگي*ها و عملكرد جديدي از خود نشان مي*دهند.

توانايي كنترل يا دستكاري در مقياس اتمي.

مطلب كليدي در اينجا، عبارت ”ابزارها و سيستم*هايي كه به دليل داشتن اندازه كوچك يا متوسط، ويژگي*ها و عملكرد جديدي از خود نشان مي*دهند“ مي*باشد. ويژگي*ها و عملكرد جديد از اثرات فيزيك كوانتومي نشات مي*گيرد كه برخي مواقع در مقياس نانو روي مي*دهد. اين اثرات با نيروهاي فيزيكي و ويژگي*هايي كه ما هر روزه تجربه مي*كنيم تفاوت دارد و اين همان چيزي است كه فناوري*نانو را از اشياي كوچكي مانند پروتئين*ها يا مولكول*هاي ديگر متفاوت مي*كند.

2- علم نانو، فناوري*نانو نيست.

علم نانو به مفهوم مطالعه پديده*ها و دستكاري مواد در مقياس اتمي، مولكولي و ماكرومولكولي است كه ويژگي*هاي مواد در اين مقياس، با مقياس*هاي بزرگ*تر فرق مي*كند. فناوري*نانو به مفهوم طراحي، تعيين مشخصات، توليد و به*كارگيري ساختارها، ابزارها و سيستم*ها از طريق كنترل شكل و اندازه آنها در مقياس نانو مي*باشد.
تشخيص اين تفاوت مخصوصاً از نقطه نظر ايجاد يك كسب و كار مهم است؛ زيرا از هزاران تحقيق در زمينه علم نانو كه در دانشگاه انجام مي*گيرد، تنها تعداد كمي از آزمايشگاه خارج شده و به سطح فناوري مي*رسند و از اين تعداد نيز، تعداد كمي به توليد محصول منجر مي*شوند و حتي از اين تعدادي كه به توليد محصول منجر مي*شوند، تنها برخي اين قابليت را دارند كه به تأسيس شركت جديدي بينجامند.

3- فناوري*نانو و MEMS يكسان نيستند.

MEMS يا سيستم*هاي ميكروالكترومكانيكي (موتورها، ماشين*ها، و ابزارهاي كوچكي كه بعضاً در مجله Scientific Americanيا جاهاي ديگري تصوير آنها را مشاهده مي*كنيد) ، اغلب با فناوري*نانو درمي*آميزند. با وجودي كه ابزارهاي MEMS در حد ميكروسكوپي كوچك مي*باشند، اما در عين حال، هزاران* بار بزرگ*تر از ابزارهاي نانو هستند. ممكن است از ابزارهاي MEMS در فناوري*نانو استفاده شود، اما خود آنها نانو نيستند.

4- چيزهاي زيادي به نام نانوبوت وجود دارند.

به نظر مي*رسد هر مطلب عمومي كه درباره فناري نانو نوشته مي*شود، با اين عبارت و يا جملاتي شبيه ”نانوروبات*هايي كه درون جريان خون ما حركت مي*كنند“ شروع مي*شود. ظاهراً اين تمايل وجود دارد كه تفاوت مابين حقيقت و رويا در پرده*اي از ابهام باقي مانده و خواننده گيج شود. نانوروبات*ها، نانوماشين*هايي كه خودشان را مي*توانند توليد كنند، تصورات ما مي*باشند و افسانه*اي بيش نيستند.

5- هر چيزي كه پيچيده است، نانو نيست.

برخي شركت*ها و محققان، براي ايجاد تصورات غلط، فناوري خود را بسيار پيچيده نشان مي*دهند. در بسياري موارد، فناوري*نانو مخلوطي از شيمي، فيزيك، علم مواد، مهندسي الكترونيك و زيست*شناسي مي*باشد. از يك متخصص بي*طرف بخواهيد تا آن را براي شما تجزيه و تحليل كند. علم و فناوري*نانوي واقعي پايه*هاي صحيح و محكمي دارد كه با قوانين فيزيك مطابقت مي*كند.

6- فناوري*نانو پاسخگو است.

توجهات بسيار زيادي به خطرات سلامتي وزيست*محيطي كه از طريق فناوري*نانو ممكن است به وجود آيد، معطوف شده است. بسياري از تحقيقات دانشگاهي و شركت*ها، به دليل به دست آوردن سود، از اين خطرات بالقوه چشم*پوشي كرده*اند. واقعيت اين است كه ده*ها هزار دانشمند و مهندس و ميلياردها دلار بودجه صرف شناسايي و كم كردن خطرات بالقوه*اي شده است كه به وسيله فناوري*نانو ايجاد مي*شوند. آيا مي*توان گفت كه فناوري*نانو كاملاً بي*خطر است؟ البته كه نه. هر فناوري خطرات خود را دارد اما صنعت فناوري*نانو با آگاهي از احتمال وجود چنين خطراتي، در جهت شناسايي و رفع آنها مي*كوشد.
ما هر روزه با خطرات بالقوه*اي سر و كار داريم (چاقوهاي آشپزخانه، مواد شيميايي پاك*كننده، بنزين) ؛ اما محصولات و راهبرد*ها را به نحوي توسعه مي*دهيم كه اين خطرات كم شود. (من ماده سفيدكننده را در منزل نگه*داري مي*كنم؛ اما اين امر به مفهوم آن نيست كه آن را مي*نوشم) .

7- فناوري*نانو به مفهوم كسب و كار است.

با وجودي كه غوغاي فناوري*نانو، توجه زيادي را به خود جلب كرده است (درمان سرطان، آسانسور فضايي) ، واقعيت اين است كه فناوري*نانو به مفهوم كسب وكار، ايجاد مشاغل جديد، رشد اقتصادي و ثروت بالقوه است. تاريخ يك راهنما است، برخي شركت*هاي فناوري*نانو موفق خواهند شد؛ اما بسياري شكست مي*خورند. با اين حال، فناوري*نانو قبلاً بازار خود را در زمينه صنايع باز كرده است. فناوري*نانو در محدوده وسيعي از صنايع از جمله الكترونيك، مغناطيس و الكترونيك نوري، ابزارهاي پزشكي زيستي و داروسازي، مواد آرايشي، انرژي، مواد و كاتاليزورها به كار مي*رود و ميلياردها دلار سود توليد كرده است. محصولاتي كه بيشترين سود را از فناوري*نانو حاصل كرده**اند، عبارتند از: تجهيزات ورزشي، براق*كننده*هاي مكانيكي-شيميايي، نوارهاي ضبط مغناطيسي، كرم*هاي ضد آفتاب، كاتاليزورهاي خودرو، نشان*گذارهاي زيستي، روكش*هاي هادي الكتريسيته، روكش*هاي محافظ، و فيبرهاي نوري.

هفت سؤالي كه هر گزارشگر بايد از شركت*هاي فناوري*نانو بپرسد؛

توجه فعلي به فناوري*نانو موجب ايجاد رو به رشد شركت*هايي شده است كه ادعا دارند فناوري اصلي آنها، نانو است. برخي تنها كلمه نانو را در اسمشان دارند و هيچ فناوري يا كاربرد خاصي كه از فناوري*نانو بهره گيرد را ندارند و تنها براي جلب توجه و جذب سرمايه اين اسم را روي شركت خود گذاشته*اند. مراقب اين شركت*هاي متظاهر باشيد.
براي تشخيص تظاهركنندگان از شركت*هاي واقعي فناوري*نانو، ما به گزارشگران پيشنهاد مي*كنيم چند سوال اساسي را از شركت بپرسند:

نانو كجاست؟

نانو را به من نشان دهيد. هر شركتي را كه ادعاي نانو بودن مي*كند در چالش قرار داده و از آنها بخواهيد توضيح دهند كه محصول يا فناوري آنها چه ارتباطي با فناوري*نانو دارد. به خاطر داشته باشيد كه هر چيز كوچكي، بر مفهوم فناوري*نانو دلالت نمي*كند. اگر اطمينان پيدا نكرديد، از يك متخصص بي*طرف بپرسيد.

آيا براي فناوري يا كار شما، فناوري*نانو مورد نياز است؟

آيا مي*توان فناوري ميكرو را جايگزين آن كرد. برخي مواقع استفاده از نانو، يك محصول را بسيار پيچيده يا گران*تر از چيزي مي*كند كه مورد نياز است. براي مصرف كننده نهايي، اينكه يك محصول با فناوري نانو يا ميكرو ساخته شده است، اهميتي ندارد؛ بلكه موضوع مهم اين است كه آيا محصول مورد نظر، نياز آنها را به طور واقعي رفع مي*كند يا نه. اندازه يا نوع فناوري، به ندرت اهميت پيدا مي*كند و روش*هاي حل يك مشكل، اساس كسب و كارهاي در حال پيشرفت نيست؛ اما برخي اوقات اساس توسعه سهام هست.

آيا فناوري شما، پاسخي به يك مشكل صنعتي است، يا راه*حل يك مشكل را فراهم مي*نمايد؟

اغلب اوقات محققان به شركت*هايي مي*پيوندند كه يك نياز صنعتي خاص را پي*گيري نمي*كند و يا آنقدر پيچيده و گران است كه دوام نمي*آورد. اگر يك شركت به فكر حل يك مشكل صنعتي نباشد، احتمالاً كار آنها كمي بيشتر از يك پروژه علمي است. بپرسيد كه آيا شركت با مصرف*كنندگان نهايي بالقوه صحبت كرده است تا از نياز اصلي آنها آگاه باشد؟

فناوري*هاي رقيب شما چه چيزهايي هستند؟

چرا فناوري شما يك راه حل بهتر است؟ هر كسي رقبايي دارد. اگر شركت مي*گويد كه رقيبي ندارد، بهتر است دوباره بررسي كند. به خاطر داشته باشيد كه يك تله*موش بهتر، الزاماً برنده نيست.

آيا محققان يا شركت*هايي فناوري شما را دنبال مي*كنند؟

اگر هيچ*كس علاقه*مند به تحقيق يا توسعه يك زمينه خاص نيست، نگاهي دوباره به قضيه داشته باشيد. ممكن است يك مشكل پايه*اي در اين فناوري وجود داشته يا اينكه اين فناوري خارج از نياز صنعت باشد. بازارهاي داغ، رقباي داغي را جذب مي*كنند.

راهبرد بازار شما چيست؟

اگر شركت مي*گويد كه مي*خواهد در زمينه تصويربرداري پزشكي از GE پيشي بگيرد، شك كنيد. شركت*هاي بزرگي كه يك بازار خاص و مصرف*كنندگان نهايي آن را در دست دارند (همانند GE، بوئينگ، اينتل، BASF و شركت*هاي بزرگ ديگر) ، بيشتر مشتريان و بازار را كنترل مي*كنند و بعيد است كه اين شركت*ها، با ظهور يك فناوري جديد (بدون توجه به اينكه اين فناوري چقدر انقلابي است) در كوتاه مدت، عقب بمانند. براي برنده شدن در بازار، راهبردي و نقشه بازاريابي بايد در دنياي واقعي صورت گرفته و منابع مالي و انساني زيادي بايد فراهم شوند.

آيا با شركت*هاي ديگر مخصوصاً شركت*هاي بزرگ*تر در زمينه واگذاري امتياز فناوري خود صحبت كرده*ايد؟
يك معيار خوب براي ارزيابي موفقيت يك فناوري، سنجش ميزان تقاضاي شركت*هاي بزرگ صاحب*امتياز براي اين فناوري است. اين امر به مفهوم بازار بالقوه و درنتيجه سود زياد براي شركت مي*باشد.

Nano Technologies

Nano Technologies

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment

Comment