برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۳۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۰۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۷۸۱
  • بازدید این ماه ۷۳
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

پدیده‌های نانومقیاس در طبیعت

در مباحث گذشته با انواع نانوساختارها و برخی از خواص جالب آنها آشنا شدید. این مواد بسیار کوچک را امروزه از طریق روش‌های گوناگون فیزیکی و شیمیایی تولید می‌کنند. با این حال این گونه نیست که ابعاد و مقیاس نانو مساله‌ای تازه باشد. خیلی از جانداران پیش از به وجود آمدن انسان‌های اولیه از پدیده‌های نانو مقیاس بهره برده‌اند. آنچه بشر در قرن بیستم قادر به درک و به کارگیری آن شده است از زمان‌هایی بسیار دور در طبیعت مورد استفاده قرار گرفته است. صدها مورد از پدیده‌های نانومقیاس در محیط اطرافمان وجود دارد. از مارمولک‌هایی که به راحتی بر خلاف نیروی جاذبه بر روی سقف خانه‌ها حرکت می‌کنند تا پروانه‌هایی با بال‌هایی رنگین کمانی و اعجاب برانگیز
مقدمه:
در مباحث گذشته با انواع نانوساختارها و برخی از خواص جالب آنها آشنا شدید. این مواد بسیار کوچک را امروزه از طریق روش‌های گوناگون فیزیکی و شیمیایی تولید می‌کنند. با این حال این گونه نیست که ابعاد و مقیاس نانو مساله‌ای تازه باشد. خیلی از جانداران پیش از به وجود آمدن انسان‌های اولیه از پدیده‌های نانو مقیاس بهره برده‌اند. آنچه بشر در قرن بیستم قادر به درک و به کارگیری آن شده است از زمان‌هایی بسیار دور در طبیعت مورد استفاده قرار گرفته است. صدها مورد از پدیده‌های نانومقیاس در محیط اطرافمان وجود دارد. از مارمولک‌هایی که به راحتی بر خلاف نیروی جاذبه بر روی سقف خانه‌ها حرکت می‌کنند تا پروانه‌هایی با بال‌هایی رنگین کمانی و اعجاب برانگیز!


نانوساختار طبیعی چیست؟
وقتی در رابطه با نانوساختارهای طبیعی صحبت می‌شود، منظور ساختارهایی هستند که به طور ذاتی دارای یک بعد در محدوده ابعاد نانو باشند، بدون آن که انسان در ساختار آنها دست برده باشد. در نتیجه انتظار می‌رود این ساختارها نیز به واسطه ابعاد نانومتری خود ویژگی‌های متفاوت و قابل توجهی داشته باشند.
نانوساختارهای طبیعی حاصل اجتماع و آرایش مولکول‌های سازنده آن مواد به گونه‌ای هستند که تحت یک چینش منظم ایجاد یک شبکه با ابعاد نانومتری کنند. از برهمکنش این ساختارهای بسیار کوچک با آب، نور و غیره خواص قابل توجهی ایجاد می‌شود. نانوساختارهای طبیعی بسیاری تا به امروز شناسایی شده‌اند و در ادامه شما را با برخی از این پدیده‌های شگفت‌آور آشنا می‌کنیم.

1-1- پدیده‌های نانومقیاس در جانداران
1-1-1- نانوکامپوزیت‌ها در بدن و پوسته جانداران
از این دسته می‌توان به صدف‌ها، استخوان‌ها و مرجان‌ها اشاره کرد. بیشتر این موارد از کلسیم کربنات‌هایی به وجود آمده‌اند که در اثر خود آرایی (آرایش خود به خودی در راستای تشکیل پایدارترین ساختار) در یک شبکه (مثلا یک شبکه پلیمر طبیعی) یک ساختار سه بعدی منظم و پیچیده را ایجاد کرده‌اند.
اگر در خصوص استخوان‌ها و خواص جالب توجه آنها دقت کنیم متوجه می‌شویم که آنها با وجود استحکام بالا، سبک، منعطف و متخلخل هستند. تحمل وزن استخوان‌ها بالا بوده و استحکام فشاری آنها در حدود دو برابر استحکام کششی آنها است. این خواص شگفت‌انگیز نتیجه ساختار و ترکیب جالب توجه استخوان‌ها است. استخوان‌ها متشکل از تارهای کوچک کلاژنی است که با استفاده از ذارت فسفات کلسیم (هیدروکسی آپاتاید) تقویت شده‌اند.
اکثر استخوان‌ها ساختاری ساندویچی شکل دارند. آنها از یک پوسته فشرده و چگال کلاژنی و یک بخش داخلی اسفنجی تشکیل شده‌اند. در بخش اسفنجی تنها 20 درصد آن از مواد استخوانی تشکیل شده است و بخش اعظم آن را مغز استخوان تشکیل داده است. تارهای کوچک کلاژنی عموما شامل مولکول‌های آرایش یافته کلاژنی با طول حدود 300 نانومتر و ضخامت حدود 5/1 نانومتر است. این رشته‌ها به صورت تناوبی طوری کنار هم چیده شده‌اند که فضاهایی نانومتری را ایجاد کرده‌اند. این تارهای کلاژنی با استفاده از ذرات هیدروکسی آپاتاید پر و پوشش داده شده‌اند. این ذرات عموما صفحه‌ای بوده و به صورت موازی با هم و محور اصلی شبکه کلاژنی چیده شده‌اند. در بدن انسان این ذرات ضخامتی در حدود 2 تا 4 نانومتر را دارند. در نتیجه ترکیب این دو ساختار تشکیل نانوکامپوزیتی داده است که در آن رشته‌های نرم کلاژنی با ساختار سخت و مستحکم هیدروکسی آپاتاید تقویت شده است. استخوان، یک نانوکامپوزیت ایده‌آل است که به عنوان مدلی برای تولید و توسعه نانوکامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با نانوموادی همچون نانولوله‌های کربنی در نظر گرفته می‌شود.
صدف‌ها از لایه‌های سلولی‌ای تشکیل می‌شوند که این سلول‌ها پوششی سخت از جنس پروتئین و با حضور یک پلیمر، پلی ساکاریدی مثل کیتین ایجاد می‌کنند. در اینجا پروتئین مانند یک کنترل کننده در فرآیند خودآرایی نانویی عمل می‌کند و مقدار و ساختار رشد بلورهای کربنات کلسیم را هدایت می‌کند. دور هر شبکه کریستالی یک ماتریس لانه زنبوری از پروتئین یا کیتین باقی می‌ماند. اندازه هر کریستال کربنات کلسیم در صدف‌ها در حدود nm 100 است. این شبکه منعطف عامل بروز ویژگی‌های مکانیکی ممتاز مانند مقاومت فراطبیعی در برابر ضربه در صدف‌ها است.

1-1-2- بال حشرات و سنگ یشم
رنگ‌های چشم نوازی که در سنگ یشم و بال پروانه‌ها دیده می‌شوند مستقیما با ساختار آنها در ارتباط است. در ساختار بال پروانه‌ها و سنگ یشم خوشه‌هایی از نانوذرات وجود دارند که به عنوان عامل انتشار نور عمل می‌کنند و حالت رنگین کمانی را در آنها ایجاد می‌کند.
رنگ بال پروانه‌ها عموما دارای رنگ‌های متفاوتی است که تحت تاثیر سطح بال‌ها و برهمکنش آنها با نور مرئی است. بروز حالت رنگین کمانی ناشی از تغییر رنگ یک ماده در زمانی که نور از زوایای متفاوت به آن می‌تابد است. برای این که ذره بتواند عامل خاصیت رنگین کمانی باشد باید در حدود ابعاد نانومتری باشد. برخورد نور با سطح نانومتری ناهموار باعث ایجاد تداخل سازنده و مخرب بین نورها می‌شود. رنگ، شدت و زوایای نور بازتاب شده از یک سطح به غیر از طول موج و زاویه تابش نور، با جنس و ضخامت زیرلایه رابطه مستقیم دارد.
در مورد بال پروانه خاصیت رنگین کمانی به شکل خاصی ایجاد می‌شود. دانشمندان از بررسی بال پروانه‌ای به نام مورفو هتنور به این نکته پی برده‌اند که بال این جاندار از کنار هم قرار گرفتن واحدهای فلس مانندی به شکل سفال‌های سقف ایجاد می‌شود. هر واحد ابعادی در حدود μm70×20 دارد و ساختار سطحی همه واحدها یکسان است. سطح همه این واحدها حاصل از آرایش فوق منظم پره‌هایی نانومتری است که عرض هر کدام حدود nm 800 است. فضای بین این پره‌ها کرسیتال‌های نوری طبیعی است که می‌توانند تداخل سازنده یا ویرانگر ایجاد کند. این کریستال‌های نوری ساختارهای نانومتری تکرار شونده‌ای هستند که می‌توانند گذرگاه‌هایی برای نور ایجاد کنند. تصویر این کریستال‌ها را در شکل 1 مشاهده کنید.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 1: بال پروانه و تصویر کریستال‌های فوتونی آن

در مورد سنگ یشم این پدیده مربوط به خوشه‌های نانو مقیاس کروی با جنس سیلیکا است که از نظر اندازه یکنواخت بوده و در میان لایه‌ها پخش شده‌اند. شکل 2 تصویر میکروسکوپ الکترونی از نانوذرات سیلیکا در سنگ یشم را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9

1-1-3- تار عنکبوت

تار عنکبوت از مقاوم‌ترین ترکیباتی است که تاکنون شناخته شده است و تقریبا 5 برابر فولاد هم وزن خود مقاومت دارد و در عین حال بسیار سبک و انعطاف‌پذیر است. این خاصیت استثنایی تار عنکبوت تحت تاثیر پروتئین‌های سازنده آن و ساختار نانومتری آنها است. نانورشته‌های در هم تنیده شده تارهای عنکبوت در زیر میکروسکوپ الکترونی در شکل 3 نشان داده شده است. این ساختار نانومتری منبع الهام دانشمندان برای تولید نانوساختارهای در هم تندیده شده فوق مستحکم بوده است. به عنوان مثال دانشمندان رشته‌های نانولوله‌های کربنی را همانند تارهای عنکبوت در هم تنیده‌اند که در نتیجه بافت بسیار محکمی و به لحاظ دینامیکی ساختار بسیار متفاوتی در برابر فشار خارجی و هر گونه تنش یا کرنش تولید شده است.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 3: رشته‌های بسیار کوچک و نانومتری تارهای عنکبوت در زیر میکروسکوپ الکترونی

نیلوفر آبی از گیاهان بومی آسیا است. برگ‌های این گیاه حتی اگر محیط اطراف آن گلی باشد همواره تمیز هستند. برگ‌های این گیاه می‌توانند آب را به طور کامل پس بزنند، چون سطح برگ‌ها ابرآب‌گریز است. لذا قطرات آب روی سطح برگ می‌غلتند و با حرکت روی سطح برگ آلودگی‌ها و خاک را از سطح جدا کرده و سطح برگ را تمیز می‌کنند. این اثر " اثر خود تمیز شوندگی" نام دارد (به چگونگی جمع شدن قطره‌های آب بر روی سطح برگ گیاه در شکل 4 توجه کنید).
خود تمیز شوندگی اولین بار توسط ویلهم برتلوت مطرح شد. وی در طی مقاله‌ای که در سال 1997 منتشر کرد برای اولین بار به طرح این مساله تحت عنوان خاصیت لوتوس پرداخت و این خاصیت را علت رفتار متفاوت برگ گل نیلوفر آبی دانست.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 4: خاصیت آب‌گریزی و ساختار سطح برگ نیلوفر آبی

برخی دانشمندان علت بروز خاصیت لوتوس را وجود میکروساختارهای سطح برگ و سلول های اپیدرم سطح ناهموار برگ که با کریستال‌های نوعی صمغ پوشیده شده‌اند، اعلام کرد. این کریستال‌ها سطح آب‌گریزی را ایجاد می‌کنند که با ناهمواری‌های سطح برگ تقویت شده و در نهایت سطحی ابر آب‌گریز با زاویه ترشوندگی حدود 150 درجه را ایجاد می‌کنند. به واسطه این زاویه تماس، قطره‌ها حداقل فصل مشترک ممکن را با سطح برگ خواهند داشت که باعث می‌شود قطرات بر روی سطح برگ تقریبا به صورت کروی در آیند. آلودگی‌ها (عمدتا آنهایی که از ابعاد ناهمواری‌ها بزرگ‌تر هستند) روی سطح ناهمواری‌ها با چسبنگی کم می‌مانند و قطرات آب حین غلتیدن روی سطح این آلودگی‌ها را جذب کرده و از سطح جدا می‌کنند (شکل 5 را مشاهده کنید).

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 5: قطرات آب با غلتیدن روی سطح و جذب ذرات ریز غبار و آلودگی، سطح برگ را همواره تمیز نگه می‌دارند

پس از عکسبرداری از سطح برگ‌ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخص شد که روی سطح ناهمواری‌های میکرومتری سطح برگ گل نیلوفر آبی ناهمواری‌هایی نانومتری به طول چند ده نانومتر وجود دارد که باعث تشدید خاصیت آب‌گریزی می‌شود. هر چه سطح تماس یک ماده آب‌گریز بیشتر شود خاصیت آب‌گریزی بیشتر می‌شود. در مورد نانوذرات با توجه به این که نسبت سطح به حجم بسیار بالا است با حجم کمی از نانوساختارها می‌توان این تاثیر را به مقدار قابل توجهی تشدید کرد. برگ گل نیلوفر هم از همین خاصیت بهره‌مند است.

1-1-5- پاهای مارمولک
شاید بتوان خاصیت ضد جاذبه پاهای مارمولک را یکی از جالب‌ترین موارد کاربرد عملی مواد نانوساختار دانست. مارمولک می‌تواند به هر سطحی در هر راستایی بچسبد و روی آن حرکت کند بدون آنکه از روی آن بیافتد. مارمولک حین انجام این عمل از هیچ ماده چسبناکی نیز استفاده نمی‌کند و پاهایش حتی در ابعاد میکروسکوپی هم هیچ عضو جذب کننده‌ای ندارد.
به عقیده دسته‌ای از دانشمندان علت این توانایی عجیب مارمولک نانوساختارهای موجود در پای این جاندار است. در سطح پای این جاندار زائده‌های کوچکی به نام اسکانسورها وجود دارد که شامل تعداد زیادی زائده مو مانند است. هر کدام از این موها حدود 100 میکرومتر طول و 5 میکرومتر قطر دارند. می‌توان تصور کرد که چه تعداد زیادی از این نانوساختارها روی هر پای یک مارمولک وجود دارد. هر کدام از این موها خود به هزاران شاخه با قطر 200 نانومتر تقسیم می‌شوند (شکل 6).
در نتیجه با وجود اندازه کوچک پاهای یک مارمولک، سطح تماس بین پای یک مارمولک و سطح زیرین به مقدار قابل توجهی زیاد است. این شاخه‌ها یا موها ذاتا منعطف هستند و مانند مایعی که در قالبی ریخته شود شکل سطح زیرین خود را می‌گیرند. به علت نیروی واندوالسی موجود بین این شاخه‌ها، اتصال شدیدی بین پای مارمولک و سطح زیرین آن ایجاد می‌شود که باعث چسبیدن مارمولک به سطح می‌شود. خاصیت پاهای مارمولک یک مثال بارز از تاثیر نسبت سطح به حجم بالا در بروز خواص منحصر به فرد نانوذرات است.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 6: در سطح پای این جاندار زائده‌های کوچکی به نام اسکانسورها وجود دارد که شامل تعداد زیادی زائده مو مانند است. هر کدام از این موها حدود122 میکرومتر طول و 5 میکرومتر قطر دارند. هر کدام از این مو ها خود به هزاران شاخه با قطر 222 نانومتر تقسیم می‌شوند.

1-1-6- نانوماشین‌های زیستی: ویروس‌ها و اندامک‌های درون سلولی

تا اینجا به بررسی تاثیر ابعاد نانو در جانداران بزرگ، گیاهان و حشرات پرداخیتم. در این میان جاندارانی هستند که آنها را از قلم انداخته‌ایم. این جانداران که خودشان فاصله زیادی با ابعاد نانو ندارند حیات خود را مدیون نانوماشین‌های زیستی هستند. ویروس‌ها با قطری کمتر از 100 نانومتر می‌توانند به آسانی وارد بدن جانداران شده و موجب بیماری گردند. بسیاری از تک سلولی‌ها، باکتری‌ها و ویروس‌ها مجهز به نانوماشین‌های بسیار پیچیده‌ای هستند. به عنوان مثال این جانداران از این اندامک‌ها برای جابه جا شدن استفاده می‌کنند و این اندامک‌ها در زمره‌ی اندامک‌های حرکتی آنها قرار می‌گیرند. اندامک‌های درون سلولی بدن ما نیز همگی نانومتری هستند. پروتئین‌ها، دستگاه گلژی، گیرنده‌های عصبی و ... سیستم‌های نانومتری هستند که عهده‌دار وظایف حیاتی بدن ما می‌باشند.

1-2- پدیده‌های نانومقیاس در طبیعت بی‌جان

1-2-1- نانومواد معدنی

برای مثال می‌توان به ذرات رس اشاره کرد. رس‌ها سیلیکات‌های لایه‌ای هستند که در ساختاری منظم و دوبعدی سازمان یافته‌اند. بلورهای لایه‌ای مانند مونتموریلونیت‌ها از کنار هم قرار گرفتن صفحه‌های بزرگ سیلیکات با پیوندهای ضعیف ناشی از کاتیون‌هایی مانند Ca+2 ، K+ ، Na+ و Li+ در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. وجود این کاتیون‌ها ایجاب می‌کند که صفحه‌های سیلیکا بار منفی داشته باشند. این مجموعه صفحات ضخامتی حدود nm 200-20 دارند که از اجتماع صفحه‌هایی با ضخامت nm 1 یا کمتر تشکیل شده‌اند (شکل 7 را مشاهده کنید). به این مجموعه صفحات تاکتوئید (tactiod) می‌گویند. نانوساختار بودن دانه‌های رس خواص جالبی را ایجاد می‌کند. اگر به رس آب اضافه شود، رس به شکل نامعمولی متورم می‌شود. علت آن جایگزین شدن ملکول‌های آب به جای کاتیون‌های بین لایه‌ها است. به این شکل خاک رس ظرفیت تورم شدید پیدا می‌کند. این میزان تورم بالا از ویژگی‌های بارز در مقاومت خاک به حساب می‌آید و به همین علت از خاک رس در ساختن راه‌ها استفاده می‌شود.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 7: تصویر میکروسکوپی از ذرات صفحه‌ای رس

1-2-2- کلوئیدهای طبیعی

کلوئیدها فازی بین محلول‌ها و سوسپانیون‌ها هستند. در کلوئیدها ذرات معلق (فاز پخش شونده) در فاز پخش کننده قطری بین nm 100-1 دارند. ذرات در کلوئید بر خلاف سوسپانسون‌ها به علت داشتن بار سطحی همنام ته نشین نمی‌شوند، از طرفی کلوئیدها به واسطه اندازه ذراتشان مانند محلول‌ها شفاف نیستند و نور را پخش می‌کنند (اثر تیندال).
از میان کلوئید های طبیعی می‌توان به خون و شیر (امولسیون یا کلوئید مایع در مایع)، مه (آیروسل یا کلوئید جامد در گاز) و ژلاتین (ژل یا کلوئید مایع در جامد) اشاره کرد. در مثال‌هایی که ذکر شد ذرات پخش شونده در فاز پخش کننده بخش می‌شوند. مثلا در مورد شیر فاز پخش شونده پروتین‌ها و چربی‌ها هستند که در آب تشکیل یک کلوئید پایدار داده‌اند.
ویژگی خاصی که در کلوئیدها دیده می‌شود و می‌توان آن را به وجود نانوذرات به عنوان فاز پخش شونده نسبت داد انتشار نور است. علت رنگی دیده شدن کلوئیدها (مثلا سفید دیده شدن شیر)، انتشار نور پس از برخورد به ذرات معلق کلوئیدها است.

مواردی که ذکر شد نشان می‌دهد که اگر چه علم نانو کشف ما در اواخر قرن گذشته است، پیش از این مورد استفاده طبیعت بوده است و جانداران فراوانی در طول زمان بی آنکه ما بدانیم از خواص ذرات در ابعاد نانو بهره برده‌اند.

منابـــع و مراجــــع

در سایت http://nanoyou.eu می‌توانید اطلاعات بسیاری در خصوص فناوری نانو پیدا کنید. در بخش NANOYOU Teachers Training Kit in Nanoscience and Nanotechnologies و در فصل دوم بخشی به پدیده‌های نانومقیاس در طبیعت اختصاص داده شده است (Chapter 2 - Nanoscience in Nature نوشته Luisa Filipponi و (Duncan Sutherland.

Kellar Autumn, Nick Gravish. Gecko adhesion: evolutionary nanotechnology Phil. Trans. R. Soc. A (2008) 366, 1575–1590.

در خصوص سنگ یشم می‌توان به کتاب Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology و فصل چهارم جلد اول آن مراجعه کنید.

کتاب دنیای نو دنیای نانو نوشته فاطمه موید، فائقه اسلامی پور، محمد امین مرادی. باشگاه دانش‌آموزی نانو 1388

در کتاب نانو 9-10 با گرداوری فاطمه موید از انتشارات باشگاه دانش آموزی نانو نیز می توانید با برخی دیگر از نانوساختارهای طبیعی آشنا شوید

- کتاب علوم و فناوری نانو، جلد اول مباحث عمومی نوشته فرزاد حسینی نسب، محسن افسری ولایتی و معصومه قاسمی نژاد. انتشارات کوچک آموز 1391