برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۸,۵۳۵
  • بازدید این ماه ۱۰۶
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۶۷
  • قبول شدگان ۵۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۶
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
امتیاز کاربران

ماشین‌های مولکولی

DNA و نانو غشاهای زیستی را می‌توان به عنوان ماشین‌هایی در ابعاد مولکولی در نظر گرفت. ماشین‌های مولکولی ، دسته‌ای از مواد بیولوژیکی با اندازه‌های معمولاً نانومتری هستند که در اثر خودآرایی و کنارهم قرارگیری ذره به ذره مواد به وجود می‌آیند. خصوصیاتی همچون دقت بسیار بالا، سرعت، انعطاف، توانایی رفع خطا و دوام در شرایط مختلف این مواد را از ماشین‌های ساخته دست بشر متمایز می‌سازد. محققین و دانشمندان با الهام از این ساختارها ، به دنبال ساخت ماشین‌هایی در کاربردهای متفاوت هستند.
ماشین های مولکولی
حیات یک ایده دهنده بزرگ برای ساخت مواد غیرعادی و ماشین های مولکولی است. بستر حیات از موادی مانند کانی ها، رس های بسیار منظم، کریستال های رنگی، کامپوزیت های صدفی از مواد آلی و غیر آلی، استخوان ها، مروارید ، دندان، چوب، ابریشم، شاخ، کلاژن ها، فیبرهای ماهیچه ای، ماتریس های فرسلولی و هزاران چیزهای شناخته و ناشناخته دیگر تشکیل شده است. تمام ماکرومولکول های چند عملکردی شناخته شده در علوم زیستی مانند هموگلوبین، پلیمراس، سینتاس ATP، کانال های غشایی، اسپلیسزوم، پروتئوزوم، ریبوزوم و سیستم های نوری ماشین هایی مولکولی هستند که حیات، این نظام پیچیده را با دقتی شگفت انگیز می سازد. این بیومولکول ها دارای خصوصیاتی هستند که سبب برتری آن ها نسبت به ساخته های بشری شده است. معمولا ماشین های مولکولی دارای اندازه ی نانومتری می باشند. به طور مثال، قطر مارپیچ مولکول DNA درحدود 2 نانومتر است. این ساختارها معمولاً خود ساماندهی اتم به اتم و نانومتری دارند. این ساختارها دارای خاصیت خود تنظیمی، خود تعمیری، شناسایی و پاسخ می باشند که سمی نیستند. این ساختارها توانایی ایجاد تغییرات ژنتیکی و انتقال ژن ها را در سیستم های زیستی دارند که به صورت سلسله مراتبی عمل می کنند؛ به عنوان مثال آن ها بر حسب فعالیت ها و عملکردهایشان می توانند در اندازه های مختلف تجمع پیدا کنند[1].

بیومولکول ها دارای خواص متعدد دیگری نیز هستند که سبب اهمیت آن ها در علم نانو شده است. نانوبیوتکنولوژی در واقع فناوری مواد بیومولکولیست که نمادی از مهندسی معکوس می باشد که از سیستم های بیولوژیکی الگوبرداری می کند و در سیستم های کاملا متفاوت به کار می رود. سوالی که پیش می آید این است که چه اشتراک هایی بین ماشین های مولکولی با ماشین ها وجود دارد؟ شباهت هایی از عملکرد موتورهای مولکولی همراه با مثال هایی از آن در جدول 1 بیان شده است[1].


جدول 1 : شباهت ماشین های طبیعی با ماشین های ساخت انسان

ماشین­ها (ساخت انسان)

ماشینهای مولکولی(ساخته حیات)

ماشین، قطار، هواپیما، سفینه فضایی شاتل

هموگلوین(10 نانومتر)

خطوط اتصال

ریبوزوم

موتورها یا ژنراتورها

سینتاسس ATP ، سیستم­ های نوری

سیستم حمل و نقل ریلی

شبکه فیلامنت­ های آکتین یا فیلامنت­ های میانی

مرکز کنترل ریلی

سنتروزوم

پایگاه داده دیجیتال

نودزوم

ماشین­ های کپی

پلیمراس

متصل کننده های زنجیره

لیگاز

بولدوزر

پروتوزئوم یا پروتزاز

ماشین­های منظم کننده نامه­ها

سیستم­های منظم کننده پروتئین­ها

حصارها و دژها

غشاها

گیت­ها، کلیدها، پسوردها

کانال های یونی، پمپ­ها، رسپتورها

اینترنت یا شبکه جهانی وب

سیناپس نورون


ساختارهای زنده حدود 20 نوع آمینواسید، تعدادی نوکلئوتید، ده ها مولکول لیپیدی، ده ها نوع قند و بلوک های سازنده و محیط های متابولیک را در بر دارند. آن ها ساختارهای به ظاهر بسیار ساده ای دارند. این ساختارها نه تنها دقت بسیار بالایی دارند، سریع و منعطف هستند و می توانند رفع خطا کرده و در شرایط مختلف دوام بیاورند. طبیعت از طراحی نانومتری پایین به بالا برخوردار است. یعنی اتم ها در ساختارهای اولیه به هم پیوند می خورند و ساختارهای منظم بزرگتر را می سازند، این اصطلاح" پایین به بالا" نامیده می شود. مثال خیلی خیلی ساده ای از آن را می توان با دقت در تولید یک تخم مرغ درک کرد. مرغ، زرده، لایه سفید تخم مرغ، غشاهای بیرونی و پوسته آهکی آن را در یک فضای محدود و با سرعت بالا شکل می دهد. نمونه دیگر ساختار هموگلوبین است که 4 زنجیره دارد و متشکل از 20 آمینواسید با شکل ها و خواص شیمیایی مختلف است. عملکرد آن انتقال اکسیژن است و در محدوده 6 تا 4 نانومتری است[1].

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1 : ساختار هموگلوبین 

DNA ساختاری مارپیچ در کروموزوم هاست که ابعاد نانومتری همراه با ساختاری بسیار منظمی دارند که ساختار آن فشردگی بالا داشته و دسترسی به بیان ژنی را ممکن می سازد.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل2 : ساختار نانومتری در کروموزومها

سلول های حیاتی ابزارهایی نانومتری هستند که می توانند به سرعت تکثیر شوند و پروتئین ها را شکل می-دهند، ساختار طبیعت از مکانیزمی استفاده می کند که به مراتب از فرایندهای ساخت انسان پیچیده تر است. برای مثال بلوط بر اساس مواد رمزداری که در ابعاد نانومتری ایجاد شده است، از انرژی استفاده می کند. این کدها برای برگ ها و ریشه ها بازخوانی می شود و در نتیجه برگ ها می توانند انرژی بیشتری از خورشید و خاک جذب کنند. بنابراین نانومواد کددار طبیعی بسیار پیچیده تر از موادی می باشد که امروزه علم قادر به تولید آنهاست[1].
موتورهای پروتئینی حامل های ریزی هستند که محموله های مولکولی را درون سلول ها جابجا می کنند. برای مثال کینسین یک نانوموتور بسیار فعال است که می تواند چندصد گام را روی یک میکروتوبول بدون قطع اتصال انجام دهد و میوزین یک تک گام انجام می دهدو جدا می گردد[1].
باکتری اشرشیا کولای و ارگانیزم های مشابه نیز با دسته ای از موتورهای دوار که تنها 45 نانومتر قطر دارند، مجهز شده اند. هر موتور یک رشته بلند، ظریف و مارپیچ دارد که به طول چندین سلول است و در محیط بیرونی سلول قرار گرفته است. علاوه بر موتور دوار و پیشران، ای.کولای از شمارنده ذرات، سرعت سنج و گیربکس هم برخوردار می باشد که به عنوان رویای نانوتکنولوژیست ها ذکر شده است.شاخک باکتری دوری بالاتر از 10000 دور در دقیقه (rpm) دارد[7].

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل3 : باکتری ای. کولای 

مواد در علوم زیستی می توانند به صورت زنجیره ای مرتبط با هم شناخته شوند. سطحی از این ساختار زنجیره ای را میتوان در تاندون ها مشاهده کرد. قطر فیبرها در (1) پلی پپتیدکلاژن 0.5 nm است، (2) برای هلیکس سه تایی1.5nmو (3) برای میکروفیبریل ها 3.5nmمی باشد. (4)برای ریزفیبریل ها 10 تا 20 نانومتر، (5) برای فیبریل ها 50 تا 500 نانومتر، (6) برای فاشیکل 50 تا 300 میکرومتر و (7) 0.1 تا 0.5میکرومتر برای تاندون است[1]. 

ساختار ویروس ها هم محدوده نانومتری دارد. در شکل 4 این ساختار مشاهده می شود: 

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل4 : ساختار نانومتری 4 نوع ویروس

سلول های زنده به صورت تخمینی حدود 10000 نوع مولکول را در یک محیط آبی که با یک غشای سلولی احاطه شده اند را در بر گرفته است. یک غشای سلولی یک ساختار پایه لیپیدی است که فضای آبی درون سلول را از محیط آبی بیرون سلول جدا می کند. در کنار این عملکرد جدا کنندگی، غشای سلولی حرکت مواد به داخل یا بیرون سلول را نیز کنترل می کند. حدود 80 درصد وزن غشای سلولی را مواد لیپیدی شامل شکل اولیه سه نوع لیپید غشایی یعنی: فسفولیپیدها، گلیکولیپید، و کلسترول تشکیل می دهد[1]. کلید درک پایه های ساختاری سلول غشایی ذات غیر حل شونده غشا در آب و ساختار سر و دم دار ساختارهای فسفولیپید و اسفینگوگلیکولیپیدها است. وقتی این لیپیدها در آب قرار می گبرند سر قطبی آن ها دوست دارد با آب در تماس باشد و دم غیر قطبی تمایل دارد به جای تماس با آب به دم قطبی مولکولی دیگر وصل شود. در نتیجه یک ساختار غشایی بنام "دولایه لیپیدی" است، که یک ساختار دو لایه از فسفولیپیدها و گلیکولیپیدها می باشد، در آن دم های غیرقطبی لیپیدها در وسط ساختار هستند و سرهای قطبی در سطح خارجی ساختار قرار دارند. این دولایه ای 6 تا 9 نانومتر ضخامت دارد. ساختار دولایه سه قسمت مجزا دارد: (1) سرهای داخلی قطبی،(2) سرهای بیرونی قطبی و(3) دم های وسطی غیرقطبی. غشاهای سلولی معمولاً غشاهای پلاسما نامیده می شوند؛ چون سلول توسط سیتوپلاسم (حجم آبی) از محیط آن جدا می شود[1].


filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل5 : ساختار غشاهای سلولی با ضخامت 6 تا 9 نانومتر

نانوغشاهای زیستی نظم عملکردی بالا همراه با شکل هندسی پیچیده است. این غشاها نفوذپذیری را تغییر می دهند تا به غلطت های یونی خاص در بیرون یا داخل سلول پاسخ دهند. آنها می توانند عبوردهی را به طور متقارن یا نامتقارن انجام دهند. برای این کار یا از نفوذ استفاده می کنند یا مواد را از پمپ های مختلف عبورمی دهند. در فناوری نانو ساخت نانوغشاها از روش های مختلف از جمله روش لانگمیر بلادجت انجام شده است[1].

منابـــع و مراجــــع

1. Y. B. Cohen, BIOMIMETICS Biologically Inspired Technologies, Taylor & Francis, 2006.

2. A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291

3. L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.

4. NatureTech Technology, video, part 1&2&3.

5.H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.

6. https://timothytrespas.files.wordpress.com/

7.B. Bhushan , Springer Handbook of Nanotechnology, 2010.