ریپورتر
30th April 2009, 05:33 PM
امروزه با استفاده از زمينه‌هاي علمي بين‌رشته‌اي، انقلاب صنعتي ديگري در جريان است. اين تحول در بهره‌برداري يکپارچه از قوانين فيزيک، خواص شيميhttp://www.irche.com/article/images/nano_bio.jpgايي و مشخصات بيولوژيکي نهفته است. در مطلب زير، به معرفي برخي کاربردهاي صنعتي نانوبيوتکنولوژي مي‌پردازيم:
1- ساخت حسگرهاي شيميايي بر اساس نانوبيوسيستم‌ها
توسعه فناوري حسگرهاي شيميايي يکي از تحقيقات جدي در زمينه نانوبيوسيستم‌ها است. حسگرهاي شيميايي با الهام از حساس‌ترين حسگرهاي شيميايي در بدن جانداران، يعني بيني و ساير اعضاي حسي طراحي شده‌اند. طرز کار اين حسگرها به اين شکل است که ملکول مورد نظر (که بايد وجود آن حس شود) به يک دريافت‌کنندة زيستي در عضو مي‌چسبد و باعث باز و بسته‌شدن يک کانال يوني که در پوستة سلول عايق قرار دارد، مي‌شود.
بيشترين کاربرد حسگرها، در توليد حسگرهاي بخار يا گاز و به‌طور اخص ساخت بيني الکترونيکي بوده‌است. اين عمل با استفاده از آرايه‌هايي از حسگرهاي غيرتخصصي ( non-Specific ) و به‌کارگيري نرم‌افزار تشخيص الگو انجام مي‌شود. به کمک اين نرم‌افزار، معين‌کردن بوها، گازها و بخارهاي مختلف، دقيقاً مانند آنچه که در بيني حيوانات اتفاق مي‌افتد، صورت مي‌پذيرد.
توسعة حسگرهايي که بتوانند اجزاي مخلوط گازها يا مايعات را در محيط صنعتي تشخيص دهند، از ديگر کاربردهاي اين حسگرها است. حسگرهاي چند‌منظوره‌اي که از پليمرها، آنزيم‌ها يا ساير ترکيبات استفاده مي‌کنند، مثال‌هايي از اين مورد هستند.
2- پيل‌هاي سوختي زيستي http://www.irche.com/article/images/nanobio_pil.jpg
پيل‌هاي سوختي زيستي نوع جديدي از پيل‌هاي سوختي هستند که توانايي تبديل مستقيم انرژي بيوشيميايي را به انرژي الکتريکي دارند. نيروي محرک در اين پيل‌ها، واکنش‌هاي اکسيداسيون و احياي يک مادة اوليه از نوع کربوهيدرات مانند گلوکز مخلوط با اتانول است که همراه با استفاده از ميکروارگانيزم يا آنزيم به‌عنوان کاتاليزور زيستي ايجاد مي‌شود.
اصول کار اين پيل‌ها مانند پيل‌هاي سوختي شيميايي است. اختلاف اصلي بين آنها، در نوع کاتاليزور و شرايط کار است. کاتاليزور به‌کار رفته در پيل‌هاي سوختي زيستي، يک ميکروارگانيزم و يا يک آنزيم است که جايگزين فلز در پيل‌هاي سوختي شيميايي مي‌شود. به‌طور کلي دو نوع پيل سوختي زيستي وجود دارد:
1- مستقيم: در نوع مستقيم، پيل شامل الکترودهايي است که در تماس مستقيم با عوامل بيوشيميايي هستند و در واکنش‌هاي اکسيداسيون و احيا مشارکت مي‌کنند. توان واقعي خروجي از اين پيل‌ها بين يک‌دهم تا يک‌صدم پيل‌هاي غيرمستقيم است. کار اين نوع پيل‌ها به فرآيندهايي شامل واکنش‌هاي بين بيوکاتاليست و الکترود، محدود است.
2- غيرمستقيم: در اين نوع پيل‌ها، از ميکروب‌ها و يا آنزيم‌ها براي تبديل سوخت بيولوژيکي به ترکيبات با وزن مولکولي بالا و يا وزن مولکولي پايين (گاز يا مايع) استفاده مي‌شود. اين مواد بيولوژيکي، در يک فرآيند معمول الکتروشيميايي شرکت مي‌کنند. محصولات به‌دست آمده از يک راکتور ميکروبيولوژيکي ممکن است هيدروژن، آمونياک و يا اکسيژن باشد.
خصوصيات مطلوب اين پيل‌ها که استفاده از ضايعاتي مانند دي‌اکسيد‌کربن و فاضلاب انساني را ممکن مي‌سازند، به استفاده از اين پيل‌ها در برنامه‌هاي فضايي، توليد الکتريسيته و توليد اکسيژن و غذا از طريق حذف مواد زايد منتهي مي‌شود.
همچنين، احتياجات خاص نظامي ممکن است ازطريق اين پيل‌ها تأمين‌گردد. به‌عنوان مثال، ساخت " پيل بدون صداي قابل شارژ " که در دماي محيط کار مي‌کند، از اين طريق امکان دارد. اين پيل در موتور‌هاي ديزل و يا در مخلوط سوخت ضد‌يخ متانول- آب، قابل استفاده است. در آينده، پيل‌هاي سوختي زيستي جديد با اندازة کوچک و سبک، حاوي آنزيم‌هاي تثبيت‌شده به‌عنوان کاتاليست و متانول به‌عنوان مادة اوليه، در دسترس خواهند بود.
3- استفاده از نانوتکنولوژي براي تصفية آب (نانوفيلتراسيون)
نانوفيلتراسيون يکي از کاربردهاي مهم نانوتکنولوژي است. فناوري نانوفيلتراسيون امکان جداسازي ذرات را از آب در مقياس نانو فراهم مي‌کند. به اين ترتيب، امکان توليد آب تصفيه‌شده در مقياس انبوه فراهم مي‌شود. با استفاده از نانوفيلترها، مواد معدني لازم براي سلامتي انسان، در آب باقي مي‌ماند و مواد سمي و مضر از آن حذف مي‌شود.
با توجه به اين که پنجاه درصد آب‌هاي زيرزميني و هفتادوهشت درصد آب رودخانه‌ها در مناطق شهري، غيرقابل شرب است، کاربرد اين فناوري براي تصفية آب، طرفداران زيادي دارد. تحقيقات در چين نشان داده است که با مصرف آب حاصل از نانوفيلترها در مدت طولاني، شيوع بيماري‌هاي " قلبي و عروقي " و " سرطان " به‌ترتيب به ميزان چهل و بيست درصد کاهش يافته‌است.
http://www.irche.com/article/images/nanobio_reactor.jpg
4- نانوبيوراکتورها
ماسيل‌هاي معکوس را مي‌توان به‌عنوان نانوبيوراکتورها، هم براي توليد کريستا‌ل‌هاي نانويي باکيفيت و هم براي اصلاح ملکول‌هاي پروتئين منفرد به‌کار برد. در مورد آخر، نانوراکتورها به برطرف‌کردن مشکلات اساسي و بنيادين پروتئين‌ها، يعني حضور آنها در سيستم‌هاي آبي، کمک مي‌کنند. به‌عنوان مثال، مي‌توان به کمک ماسيل‌هاي معکوس، RNase A تغييرساختار يافته را جمع‌آوري کرد.
5- تصفيه پساب‌هاي صنعتي
با استفاده از نانوتكنولوژي، مي‌توان مواد سمي پساب‌هاي آلوده را كاهش داد. يك تيم از دانشمندان و صنعتگران كشورهاي آلمان، ايرلند و انگلستان، فرآيندي را توسعه داده‌اند كه فلزات سنگين پساب‌هاي صنعتي را با استفاده از نانوذرات جدا مي‌نمايد. دراين فرآيند، از يك محيط مغناطيسي ساده نيز كمك گرفته مي‌شود. http://www.irche.com/article/images/nanofilter.jpg
محققان مؤسسه مواد جديد ( INM )، به‌منظور توليد ذرات كامپوزيت فوق‌مغناطيسي ( SPMC )، نانوذرات اكسيد آهن را در يك محيط شيشه‌اي قرار دادند. با استفاده از خاصيت مغناطيسي اين ذرات ميكروني و نانومتري، به‌راحتي مي‌توان فلزات سنگين را جذب نمود. اين ذرات كه داراي خاصيت فوق‌مغناطيسي هستند، به درون آب فرستاده مي‌شوند و فلزات سنگيني را كه در آنجا وجود دارند، جذب مي‌كنند. سپس اين آب از ميان يك ميدان مغناطيسي عبور داده مي‌شود و ذرات فوق‌مغناطيس حاوي فلزات سنگين، از جريان خارج مي‌شوند. يكي از مزاياي اين روش آن است كه بر خلاف روش‌هاي قبلي، مانند فرآيندهاي ته‌نشيني يا شيميايي، در پايان عمل تصفيه، مي‌توان به خلوص بالايي رسيد. اين موضوع به‌خصوص زماني مهم است كه فلزات موردنظر خيلي سمي باشند، مانند جيوه يا سرب.
البته اين‌گونه روش‌هاي جداسازي، خيلي سخت و پرهزينه هستند. هر چند اين روش‌ها در آزمايشگاه به نتيجه رسيده است، اما براي صنعتي کردن آنها، سه سال زمان نياز است. مشکل اين روش در درست مخلوط‌نمودن ذرات كامپوزيت، به‌منظور جداسازي يك فلز خاص است. در حال حاضر، اين روش براي تمام صنايع مفيد نيست؛ اما مي‌تواند راه حل بسيار خوبي براي حدود نيمي از صنايعي باشد كه فلزات سنگين توليد مي‌كنند. شركت‌هاي آلماني، سالانه حدود 15هزار تن از اين نوع فلزات را توليد مي‌كنند. اين رقم در آمريكا بالاتر است.
» منبع: شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران
1- ساخت حسگرهاي شيميايي بر اساس نانوبيوسيستم‌ها
توسعه فناوري حسگرهاي شيميايي يکي از تحقيقات جدي در زمينه نانوبيوسيستم‌ها است. حسگرهاي شيميايي با الهام از حساس‌ترين حسگرهاي شيميايي در بدن جانداران، يعني بيني و ساير اعضاي حسي طراحي شده‌اند. طرز کار اين حسگرها به اين شکل است که ملکول مورد نظر (که بايد وجود آن حس شود) به يک دريافت‌کنندة زيستي در عضو مي‌چسبد و باعث باز و بسته‌شدن يک کانال يوني که در پوستة سلول عايق قرار دارد، مي‌شود.
بيشترين کاربرد حسگرها، در توليد حسگرهاي بخار يا گاز و به‌طور اخص ساخت بيني الکترونيکي بوده‌است. اين عمل با استفاده از آرايه‌هايي از حسگرهاي غيرتخصصي ( non-Specific ) و به‌کارگيري نرم‌افزار تشخيص الگو انجام مي‌شود. به کمک اين نرم‌افزار، معين‌کردن بوها، گازها و بخارهاي مختلف، دقيقاً مانند آنچه که در بيني حيوانات اتفاق مي‌افتد، صورت مي‌پذيرد.
توسعة حسگرهايي که بتوانند اجزاي مخلوط گازها يا مايعات را در محيط صنعتي تشخيص دهند، از ديگر کاربردهاي اين حسگرها است. حسگرهاي چند‌منظوره‌اي که از پليمرها، آنزيم‌ها يا ساير ترکيبات استفاده مي‌کنند، مثال‌هايي از اين مورد هستند.
2- پيل‌هاي سوختي زيستي http://www.irche.com/article/images/nanobio_pil.jpg
پيل‌هاي سوختي زيستي نوع جديدي از پيل‌هاي سوختي هستند که توانايي تبديل مستقيم انرژي بيوشيميايي را به انرژي الکتريکي دارند. نيروي محرک در اين پيل‌ها، واکنش‌هاي اکسيداسيون و احياي يک مادة اوليه از نوع کربوهيدرات مانند گلوکز مخلوط با اتانول است که همراه با استفاده از ميکروارگانيزم يا آنزيم به‌عنوان کاتاليزور زيستي ايجاد مي‌شود.
اصول کار اين پيل‌ها مانند پيل‌هاي سوختي شيميايي است. اختلاف اصلي بين آنها، در نوع کاتاليزور و شرايط کار است. کاتاليزور به‌کار رفته در پيل‌هاي سوختي زيستي، يک ميکروارگانيزم و يا يک آنزيم است که جايگزين فلز در پيل‌هاي سوختي شيميايي مي‌شود. به‌طور کلي دو نوع پيل سوختي زيستي وجود دارد:
1- مستقيم: در نوع مستقيم، پيل شامل الکترودهايي است که در تماس مستقيم با عوامل بيوشيميايي هستند و در واکنش‌هاي اکسيداسيون و احيا مشارکت مي‌کنند. توان واقعي خروجي از اين پيل‌ها بين يک‌دهم تا يک‌صدم پيل‌هاي غيرمستقيم است. کار اين نوع پيل‌ها به فرآيندهايي شامل واکنش‌هاي بين بيوکاتاليست و الکترود، محدود است.
2- غيرمستقيم: در اين نوع پيل‌ها، از ميکروب‌ها و يا آنزيم‌ها براي تبديل سوخت بيولوژيکي به ترکيبات با وزن مولکولي بالا و يا وزن مولکولي پايين (گاز يا مايع) استفاده مي‌شود. اين مواد بيولوژيکي، در يک فرآيند معمول الکتروشيميايي شرکت مي‌کنند. محصولات به‌دست آمده از يک راکتور ميکروبيولوژيکي ممکن است هيدروژن، آمونياک و يا اکسيژن باشد.
خصوصيات مطلوب اين پيل‌ها که استفاده از ضايعاتي مانند دي‌اکسيد‌کربن و فاضلاب انساني را ممکن مي‌سازند، به استفاده از اين پيل‌ها در برنامه‌هاي فضايي، توليد الکتريسيته و توليد اکسيژن و غذا از طريق حذف مواد زايد منتهي مي‌شود.
همچنين، احتياجات خاص نظامي ممکن است ازطريق اين پيل‌ها تأمين‌گردد. به‌عنوان مثال، ساخت " پيل بدون صداي قابل شارژ " که در دماي محيط کار مي‌کند، از اين طريق امکان دارد. اين پيل در موتور‌هاي ديزل و يا در مخلوط سوخت ضد‌يخ متانول- آب، قابل استفاده است. در آينده، پيل‌هاي سوختي زيستي جديد با اندازة کوچک و سبک، حاوي آنزيم‌هاي تثبيت‌شده به‌عنوان کاتاليست و متانول به‌عنوان مادة اوليه، در دسترس خواهند بود.
3- استفاده از نانوتکنولوژي براي تصفية آب (نانوفيلتراسيون)
نانوفيلتراسيون يکي از کاربردهاي مهم نانوتکنولوژي است. فناوري نانوفيلتراسيون امکان جداسازي ذرات را از آب در مقياس نانو فراهم مي‌کند. به اين ترتيب، امکان توليد آب تصفيه‌شده در مقياس انبوه فراهم مي‌شود. با استفاده از نانوفيلترها، مواد معدني لازم براي سلامتي انسان، در آب باقي مي‌ماند و مواد سمي و مضر از آن حذف مي‌شود.
با توجه به اين که پنجاه درصد آب‌هاي زيرزميني و هفتادوهشت درصد آب رودخانه‌ها در مناطق شهري، غيرقابل شرب است، کاربرد اين فناوري براي تصفية آب، طرفداران زيادي دارد. تحقيقات در چين نشان داده است که با مصرف آب حاصل از نانوفيلترها در مدت طولاني، شيوع بيماري‌هاي " قلبي و عروقي " و " سرطان " به‌ترتيب به ميزان چهل و بيست درصد کاهش يافته‌است.
http://www.irche.com/article/images/nanobio_reactor.jpg
4- نانوبيوراکتورها
ماسيل‌هاي معکوس را مي‌توان به‌عنوان نانوبيوراکتورها، هم براي توليد کريستا‌ل‌هاي نانويي باکيفيت و هم براي اصلاح ملکول‌هاي پروتئين منفرد به‌کار برد. در مورد آخر، نانوراکتورها به برطرف‌کردن مشکلات اساسي و بنيادين پروتئين‌ها، يعني حضور آنها در سيستم‌هاي آبي، کمک مي‌کنند. به‌عنوان مثال، مي‌توان به کمک ماسيل‌هاي معکوس، RNase A تغييرساختار يافته را جمع‌آوري کرد.
5- تصفيه پساب‌هاي صنعتي
با استفاده از نانوتكنولوژي، مي‌توان مواد سمي پساب‌هاي آلوده را كاهش داد. يك تيم از دانشمندان و صنعتگران كشورهاي آلمان، ايرلند و انگلستان، فرآيندي را توسعه داده‌اند كه فلزات سنگين پساب‌هاي صنعتي را با استفاده از نانوذرات جدا مي‌نمايد. دراين فرآيند، از يك محيط مغناطيسي ساده نيز كمك گرفته مي‌شود. http://www.irche.com/article/images/nanofilter.jpg
محققان مؤسسه مواد جديد ( INM )، به‌منظور توليد ذرات كامپوزيت فوق‌مغناطيسي ( SPMC )، نانوذرات اكسيد آهن را در يك محيط شيشه‌اي قرار دادند. با استفاده از خاصيت مغناطيسي اين ذرات ميكروني و نانومتري، به‌راحتي مي‌توان فلزات سنگين را جذب نمود. اين ذرات كه داراي خاصيت فوق‌مغناطيسي هستند، به درون آب فرستاده مي‌شوند و فلزات سنگيني را كه در آنجا وجود دارند، جذب مي‌كنند. سپس اين آب از ميان يك ميدان مغناطيسي عبور داده مي‌شود و ذرات فوق‌مغناطيس حاوي فلزات سنگين، از جريان خارج مي‌شوند. يكي از مزاياي اين روش آن است كه بر خلاف روش‌هاي قبلي، مانند فرآيندهاي ته‌نشيني يا شيميايي، در پايان عمل تصفيه، مي‌توان به خلوص بالايي رسيد. اين موضوع به‌خصوص زماني مهم است كه فلزات موردنظر خيلي سمي باشند، مانند جيوه يا سرب.
البته اين‌گونه روش‌هاي جداسازي، خيلي سخت و پرهزينه هستند. هر چند اين روش‌ها در آزمايشگاه به نتيجه رسيده است، اما براي صنعتي کردن آنها، سه سال زمان نياز است. مشکل اين روش در درست مخلوط‌نمودن ذرات كامپوزيت، به‌منظور جداسازي يك فلز خاص است. در حال حاضر، اين روش براي تمام صنايع مفيد نيست؛ اما مي‌تواند راه حل بسيار خوبي براي حدود نيمي از صنايعي باشد كه فلزات سنگين توليد مي‌كنند. شركت‌هاي آلماني، سالانه حدود 15هزار تن از اين نوع فلزات را توليد مي‌كنند. اين رقم در آمريكا بالاتر است.
» منبع: شبكه تحليلگران تكنولوژي ايران