کاربردهای شگفت انگیز فناوری نانو که زندگی بشر را دگرگون خواهد کرد

رؤیاهایی مانند رؤیای ساخت ربات‌های هوشمند و میکروسکوپی که برای شفای هر بیماری به کمک ما می‌آیند، گوشه‌ای از آرزوهای آینده‌نگرانه ما برای نسل‌های بعدی را توضیح می‌دهند. خوشبختانه این آرزو‌ها فقط در حد رؤيا باقی نمانده‌اند و به طور فزاینده‌ای در حال تبدیل شدن به واقعیت هستند.

دانشمندان تقریباً در هر زمینه‌ای از فناوری نانو برای ایجاد تحول در کار خود استفاده می‌کنند. برنامه‌های کاربردی زیادی از ساخت صفحه لمسی و پیشگیری از حملات قلبی گرفته تا سرگرمی و محیط‌زیست، برای رسیدن به اهداف هوشمندانه دانشمندان وجود دارد.

در آینده‌ای نزدیک، احتمالاً با جمعیت تقریباً نامرئی از نانوذرات احاطه خواهیم شد که هر کدام برای استفاده مورد نظر خود ساخته شده‌اند. آن‌ها در هر قسمت از محیط اطراف ما زندگی خواهند کرد، از اقیانوس گرفته تا جو، و حتی راه خود را به داخل بدن ما پیدا خواهند کرد. این کار از مدت‌ها قبل آغاز شده است؛ زیرا دانشمندان ماشین‌های کوچک را به‌طور فزاینده‌ای مهندسی می‌کنند و آن‌ها را به گوشه و کنار جهان ما می‌برند.

این امکان وجود دارد که شما قبلاً با فناوری نانو مواجه شده باشید ولی در مورد آن اطلاعی نداشتید. بنابراین مطمئن باشید که تکنولوژی‌های جدید در صنعت نانو فناوری در راه هستند و تقریباً تمام جنبه‌های جهان ما را تغییر خواهند داد. در ادامه با بررسی 11 مورد از کاربردهای شگفت‌انگیز فناوری نانو که زندگی بشر را دگرگون خواهند کرد، با ما همراه باشید.

بهبود لباس‌های آینده با فناوری نانو

صنعت نانو تاثیر متحول کننده‌ای بر صنعت نساجی گذاشته است. تصور راه‌هایی که می‌توانیم لباس‌های معمولی را با فناوری پیشرفته بسازیم، دشوار است. تقریباً هیچ چیز به راحتی یک تی شرت یا یک جفت جوراب عادی نیست، اما فناوری نانو ممکن است همه این‌ها را تغییر دهد.

پردازش مواد پارچه‌ای موجود با نانوذرات می‌تواند ویژگی‌های منحصربه‌فردی را به آن‌ها بدهد. بر اساس مطالعه‌ای که در مجله Nanomaterials منتشر شده، تعدادی از شرکت‌ها از جمله Nanotex، Aspen Aerogel، BASF و Nano-Horizons در این زمینه کار خود را آغاز کرده‌اند.

اینکه هر شرکت دقیقاً چگونه پوشش‌های نانوذرات یا نانوالیاف خود را بر روی پارچه‌ها می‌سازد و اعمال می‌کند، هنوز دقیقا مشخص نیست؛ زیرا آن‌ها اغلب اسرار تجاری هستند، اما تحقیقات منتشر شده جزئیاتی را در مورد عملکرد آن‌ها نشان می‌دهند.

این پوشش‌ها با اعمال لایه‌ای از مولکول‌های آبگریز بر روی پارچه کار می‌کنند و آن‌ها را قادر می‌سازد تا نفوذ مایعاتی مانند آب یا قهوه، شراب و خردل را دفع کنند. در نتیجه، پارچه‌های بهبود یافته ظاهراً در برابر خیس شدن یا لکه‌دار شدن غیر قابل نفوذ هستند.

خود لایه‌های استفاده شده برای این منظور تقریباً بی‌وزن هستند و اساساً ماهیت پارچه را تغییر نمی‌دهند. در نتیجه، هیچ تغییر محسوسی در تجربه استفاده کننده وجود ندارد. تحقیقات علاوه بر جلوگیری از ایجاد لکه، مقاومت در برابر باکتری‌ها را از طریق تولید گونه‌های فعال اکسیژن نشان داده است. نتیجه این است که باکتری‌های ایجاد کننده بو در مواد جمع نمی‌شوند و لباس‌های شما همیشه بوی تمیزی خواهند داد.

ساخت ماشین‌های سبک‌تر و در عین حال قوی‌تر

فناوری نانو این پتانسیل را دارد که به مهندسان اجازه دهد مواد موجود را اصلاح کنند و ویژگی‌های آن‌ها را بهبود بخشند. همانطور که ترکیب انواع مختلفی از فلزات می‌تواند آلیاژهای بهتری ایجاد کند، ترکیب مواد معمولی با نانوذرات نیز می‌تواند رفتار آن مواد را به شیوه‌های جالبی تغییر دهد.

برای این منظور، دانشمندان دانشگاه ایالتی میشیگان، سیستمی برای جدا کردن لایه‌های گرافیت به ورقه‌هایی با ضخامت کمتر از 10 نانومتر ساختند. برای مقایسه، طبق ابتکار ملی فناوری نانو، پهنای متوسط ​​موی انسان بین 80000 تا 100000 نانومتر است. مواد آن‌ها که به نام پلاکت‌های گرافیتی لایه‌برداری شده xGnP نامیده می‌شوند، می‌توانند به تنهایی استفاده شوند یا با پلاستیک ترکیب شوند تا محصولات سفت‌تر، سبک‌تر و قوی‌تری را ارائه دهند.

دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که از این ترکیب مواد جدید می‌توان برای ساخت اتومبیل‌های قوی‌تر و کم‌مصرف‌تر و حتی موشک‌هایی استفاده کرد که سبک‌تر، اما به اندازه کافی قوی برای ورود به فضا هستند.

علاوه‌براین، این ماده از نظر الکتریکی و حرارتی رسانا است و به اندازه کافی کوچک است که در پوشش‌های شفاف استفاده شود و راه دیگری را برای کاربرد در بخش انرژی باز می‌کند. در آینده، می‌توان از آن در نوع جدیدی از باتری‌ها یا به عنوان پوشش رسانا برای پنل‌های خورشیدی استفاده کرد.

روش‌های پیشرفته‌تر در مبارزه با سرطان

درمان‌های استاندارد سرطان طیف گسترده‌ای داشته و در عین حال خطر آسیب رساندن به بافت‌های سالم مجاور را دارند. چه پزشک معاجل جراحی، شیمی درمانی یا پرتو درمانی را انتخاب کند، هدف قرار دادن تومورها به طور انحصاری دشوار است. در نتیجه، برخی از بیماران زمان بهبودی طولانی‌تر و عوارض جانبی ناخواسته دارند.

راه حل‌های درمانی در حال گسترش در فناوری نانو، توانایی ورود به بدن و رساندن دارو یا سایر درمان‌ها را مستقیماً به سلول‌های سرطانی هدف و بدون آسیب رساندن به بافت‌های سالم، ارائه می‌دهند.

همانطور که موسسه ملی سرطان توضیح می‌دهد، علیرغم اینکه نانوذرات کوچکتر از سلول‌های منفرد هستند، هنوز به اندازه کافی بزرگ‌اند که ترکیبات مولکولی را در بر گیرند. این باعث می‌شود که آن‌ها رگ‌های موثری برای حمل دارو باشند. علاوه‌براین، آن‌ها را می‌توان برای جستجوی ویژگی‌های خاص بافت‌های سرطانی تنظیم کرد. در اصل، آن‌ها تا زمانی که هدف مناسب را پیدا نکنند، شروع به کار نخواهند کرد.

در مبارزه با سرطان، فناوری نانو فقط در ارائه روش‌های درمانی جدید متوقف نمی‌شود و به موثرتر کردن درمان‌های موجود کمک می‌کند. برخی از سرطان‌ها به درمان‌هایی مانند شیمی درمانی و ایمونوتراپی مقاومت بومی دارند.

با این حال، محققان دانشگاه تل‌آویو نانوذراتی را توسعه داده‌اند که از RNA برای غیرفعال کردن موثر زره داخلی تومور استفاده می‌کنند و آن‌ها را در برابر حمله‌های درمان‌های معمولی آسیب‌پذیر می‌کنند. این RNA یک یا دو پانچ را حمل می‌کند که آنزیم HO1 سرطان را خاموش می‌کند تا دفاع تومور را ضعیف کرده و در عین حال پاسخ ایمنی بیمار را نیز افزایش دهد.

ساخت تلویزیون‌هایی با وضوح فوق‌العاده بالا

به عنوان مصرف کننده، ما دائماً از تلویزیون‌های خود انتظار داریم تصاویر بزرگتر و بهتری را به ما ارائه دهند. با این حال، گاهی اوقات برای اینکه چیزی بهتر بسازید، باید به موارد بسیار کوچک نگاه کنید و فناوری نانو این امکان را فراهم می‌کند.

ال جی، یکی از تولیدکنندگان پیشرو تلویزیون در جهان، فناوری نانوسل را توسعه داده است. این یک فناوری انحصاری است، بنابراین شما آن را فقط در تلویزیون‌های ال جی پیدا خواهید کرد، مگر اینکه آن‌ها تصمیم بگیرند در آینده مجوز این فناوری را به رقبای خود نیز بدهند.

از آنجایی که این فناوری ساخت تلویزیون هوشمند انحصاری است، ما اطلاعات دقیقی راجع به جزئیات این فناوری نداریم، اما به لطف اطلاعات موجود در توضیحات محصول ال‌جی، کمی از نحوه عملکرد آن مطلع هستیم. به گفته این شرکت، تلویزیون‌های نانوسل از لایه‌ای از نانوذرات توزیع شده بین صفحه نمایش و منبع نور بهره می‌برند. این ذرات، طول موج‌های خاصی از نور را از طیف RGB فیلتر می‌کنند.

هدف اصلی در این فناوری این است که رنگ‌های کسل‌کننده را مسدود کنند و اجازه دهند فقط واضح‌ترین رنگ‌ها وارد صفحه شوند. در نتیجه، ظاهراً تصویر واقعی‌تر و زنده‌تر خواهد شد. از آنجایی که شگفتی‌های فناوری نانو تا حد زیادی بر روی صفحه نمایش تصور می‌شوند، عادلانه است که سرگرمی بصری یکی از اولین راه‌های ارتباط آن با مردم باشد.

ویژگی التیام بخشی در وسایل الکترونیکی

خریدن یک تلفن، تلویزیون، کامپیوتر یا ابزار الکترونیکی جدید، سرمایه‌گذاری قابل توجهی است. این کاری نیست که اکثر ما از روی هوس انجام می‌دهیم، بنابراین بدترین چیزی که بعد از خروج پول از حساب بانکی شما ممکن است اتفاق بیافتد، این است که وسیله الکترونیکی جدید شما آسیب ببیند.

صفحه نمایش‌های ترک خورده یا قطعات الکترونیکی داخلی شکسته شده می‌توانند به سرعت سرمایه گذاری شما را تنها به یک جسم بی‌استفاده گران قیمت تبدیل کنند. اما اگر وسایل الکترونیکی می‌توانستند مانند بدن ما بهبود پیدا کنند، اوضاع به کلی تغییر می‌کرد.

با نوع مناسب فناوری نانو، اکنون دانشمندان موسسه فناوری اسرائیل در حال کار با نانوکریستال‌های پروسکایت مضاعف هستند. در این حین آن‌ها متوجه شدند این نانوبلورها می‌توانند آسیب‌های وارده به ساختار خود را تحت شرایط مناسب التیام بخشند. پروسکایت‌های دوتایی دارای ویژگی‌های الکترواپتیکی هستند که آن‌ها را به جایگزین خوبی برای موادی تبدیل می‌کند که در حال حاضر در محصولات الکترونیکی استفاده می‌شود.

با مشاهده کریستال‌ها با میکروسکوپ الکترونی، دانشمندان متوجه شدند که گاهی اوقات حفره‌های کریستالی به دست می‌آورند. با مهندسی سطح کریستال‌ها، دانشمندان توانستند حفره‌های ذاتی و همچنین حفره‌های به دست آمده را از بین ببرند.

کریستال‌ها توانستند حفره‌ها را به سمت لبه و بیرون حرکت دهند و به طور موثر خود را بهبود بخشند. این می‌تواند منجر به تولید دسته‌ای از لوازم الکترونیکی شود که قادر به ترمیم آسیب‌های خود خواهند بود.

التیام آسیب‌های ستون فقرات

آسیب‌های ستون فقرات می‌تواند یکی از مخرب‌ترین اتفاقاتی باشد که برای یک فرد اتفاق می‌افتد؛ به این دلیل که ستون فقرات در بهبود خود بسیار بد عمل می‌کند.

به طور معمول، پس از آسیب شدید ستون فقرات، بافت اسکار فیبری در اطراف محل زخم ایجاد می‌شود و از اتصال مجدد اعصاب و رگ‌های خونی جلوگیری می‌کند. بدن سیگنال‌ها را برای التیام زخم ارسال می‌کند، اما نه برای بازسازی اتصالات قبلی.

اکنون، یک مطالعه که توسط دانشمندان دانشگاه نورث وسترن انجام شده است، ممکن است راه حلی برای رفع این مشکل پیدا کرده باشد. دانشمندان در این روش برای درمان آن‌ها، از تزریق نانوالیاف استفاده کردند که داربستی را ایجاد کرد که قادر به تحریک اتصال و ارتباط بین بافت‌های ستون فقرات و تسهیل بازسازی بود.

طبق گزارش‌هایی که تا کنون به دست رسیده، تزریق شامل داربست‌های فیبریل پپتیدی فوق مولکولی با دو توالی پپتیدی بوده است. پس از تزریق، آن‌ها سرعت تشکیل بافت اسکار فیبری را کاهش دادند، بازسازی آکسون‌ها را تقویت کردند، از مرگ نورون جلوگیری کردند و تولید رگ‌های خونی را بهبود بخشیدند.

این درمان برای اولین بار بر روی موش‌های مبتلا به آسیب‌های ستون فقرات مطابق با فلج آزمایش شد. به طور باورنکردنی، چهار هفته پس از درمان، موش‌ها دوباره شروع به راه رفتن کردند! علاوه‌براین، تزریق در حدود 12 هفته بدون عوارض جانبی قابل مشاهده توسط بدن جذب می‌شود.

واکسن‌هایی با ویژگی تأخیر در تأثیرگذاری

دریافت واکسن آنفولانزا به یک روتین سالانه تبدیل شده است. شما هر سال، وارد داروخانه محله خود می‌شوید، یک واکسن آنفولانزا تهیه می‌کنید و پس از تزریق آن برای این فصل از شما محافظت می‌کند. با این حال، بسیاری از واکسن‌های COVID-19 نیاز به دوزهای متعدد در فواصل زمانی مختلف دارند.

این بدان معناست که شما باید به فاصله چند هفته یا چند ماه به داروخانه یا پزشک خود برای تزریق واکسن مراجعه کنید. این می‌تواند به ویژه برای کودکان یا برای افرادی با برنامه‌های شلوغ چالش‌برانگیز باشد. در آینده، به لطف فناوری نانو، ممکن است بتوانید یک برنامه کامل از واکسن‌ها را در یک شات دریافت کنید.

بر اساس یک مطالعه در سال 2022 که در مجله Science Advances منتشر شد، دانشمندان از فناوری نانو برای ایجاد کپسول‌هایی با هسته توخالی استفاده کردند که دوزهای متعدد واکسن را در خود جای داده بود. به این گونه که این دوزها در تاریخ‌های پیش‌رو آزاد می‌شوند.

راز موفقیت این نانوکپسول در ترکیب پوشش اطراف آن و نحوه واکنش آن با بدن است. با گذشت زمان، پوشش پوسته کپسول به طور فزاینده‌ای متخلخل می‌شود تا زمانی که به نقطه شکست بحرانی برسد و باز شود. هنگامی که این اتفاق بیافتد، مواد موجود در کپسول وارد بدن می‌شوند.

علاوه‌بر‌این، زمان آزاد شدن محموله دارو را می‌توان با ترکیب کپسول کنترل کرد. این بدان معناست که یک تزریق می‌تواند کپسول‌هایی با ساختارهای مختلف را در خود جای دهد که برای تحویل فوری یک دوز در یک یا چند دوز در هفته‌ها یا ماه‌های بعد طراحی شده‌اند؛ بدون نیاز به مراجعه مجدد به مطب.

منابع انرژی جدید

با افزایش تغییرات آب و هوایی ناشی از فعایت‌های انسان، جستجو برای منابع انرژی جایگزین به سرعت افزایش یافته است. اکنون دانشمندان در حال توسعه سیستم‌های نانوتکنولوژی برای برداشت انرژی از محیط یا حتی حرکات انسان هستند. تیمی در دانشگاه تگزاس در دالاس نوعی نخ ساخته‌اند و آن را twistrons می‌نامند که حاوی نانوالیاف است.

وقتی الیاف این نخ جدید کشیده یا خم می‌شوند، انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود که می‌تواند اندازه‌گیری یا برداشت شود. از نظر تولید انرژی در مقیاس بزرگ، الیاف را می‌توان در دستگاه‌های قرار داده شده در محیط پیاده‌سازی و انرژی را از حرکات طبیعی امواج یا باد جمع‌آوری کرد.

شاید جالب‌تر این باشد که این الیاف را می‌توان در لباس‌های روزمره بافت و پوشید و در طول روز برق تولید کرد. برای آزمایش این کاربرد بالقوه، محققان دستکشی حاوی توئیسترون ساختند. سپس صاحب آن انگشتان خود را حرکت داد تا حروف مختلفی را در زبان اشاره آمریکایی تشکیل دهد.

این دستکش نه تنها با موفقیت الکتریسیته تولید کرد، بلکه محققان همچنین توانستند علائم مختلفی را که بر اساس خروجی انرژی ساخته می‌شوند، تشخیص دهند. در نتیجه، این دستکش می‌تواند به عنوان یک دستگاه ترجمه زبان اشاره نیز استفاده شود.

دستگاه تصفیه آب

دسترسی به آب آشامیدنی تمیز یکی از اساسی‌ترین نیازهای بشر است و با این حال، تا سال 2019، تقریباً یک سوم جمعیت جهان منبع قابل اعتمادی از آب تمیز در دسترس نداشته‌اند. جمع‌آوری آب کافی برای جمعیت‌های بزرگ، اطمینان از ایمن بودن آن برای نوشیدن، و رساندن آن به مردم، از جمله مواردی هستند که معمولاً به زیرساخت‌های قابل توجهی نیاز دارند.

ساخت این سیستم‌ها پرهزینه و زمان بر خواهد بود، اما فناوری نانو ممکن است راه حل جایگزینی را ارائه دهد. دانشمندان École polytechnique fédérale de Lausanne، در یک دانشگاه تحقیقاتی دولتی در سوئیس، یک دستگاه تصفیه آب جدید با استفاده از نانوسیم‌های دی اکسید تیتانیوم و نانولوله‌های کربنی ایجاد کرده‌اند. هنگامی که این سیستم با نور خورشید همراه می‌شود، به طور موثر عوامل بیماری‌زا را در آب از طریق یک واکنش فوتوکاتالیستی از بین می‌برد. فرایند بالا منجر به تولید گونه‌های فعال اکسیژن مانند پراکسید هیدروژن می‌شود.

این مطالعه شواهدی را ارائه می‌دهد که نشان دهنده تأثیرگذاری فوق‌العاده این سیستم در پاکسازی آب از باکتری‌ها و ویروس‌ها است و همچنین شاید در از بین بردن سایر آلاینده‌ها نیز خوب عمل کند.

در یک مطالعه آزمایشی، محققان شواهد اولیه‌ای به دست آوردند که نشان می‌دهد این سیستم آثاری از برخی داروها و آفت‌کش‌ها را نیز حذف کرده است. دستگاه آزمایشی آن‌ها نسبتاً کوچک بود و می‌توانست بدون تکیه بر زیرساخت‌های پیچیده در مناطق مورد نیاز مستقر شود.

پاکسازی نشت نفت

نشت نفت یکی از مخرب‌ترین بلایای زیست محیطی ممکن محسوب می‌شود و به طور معمول تمیز کردن آن‌ها دشوار است. در 24 مارس سال 1989، اکسون والدز 11 میلیون گالن نفت خام در منطقه پرنس ویلیام ساند در آلاسکا ریخت. نفت تقریباً 1300 مایل از خط ساحلی را پوشاند و حیوانات بی‌شماری را کشت. علیرغم یک تلاش هماهنگ برای پاکسازی، هنوز هم در این منطقه مخازن نفت یافت می‌شود.

محققان معتقدند تغییر نفت به منابع انرژی جایگزین می‌تواند از هر گونه نشت نفت در آینده جلوگیری کند، اما به استثنای آن، نانوذرات نیز می‌توانند یک راه حل پاکسازی جایگزین را ارائه دهند. دانشمندان در حال بررسی مجموعه‌ای از نانوذرات فلزی از جمله ذرات اکسید آهن، نانوکامپوزیت‌ها و نانولوله‌های کربنی به‌عنوان روش‌های بالقوه برای ساده‌سازی تلاش‌های پاکسازی نشت نفت هستند.

فرآیند پیش‌روی دانشمندان نسبتا ساده است. این ذرات می‌توانند در محل نشت با روغن مخلوط شوند. از آنجایی که ذرات آبگریز هستند، خطر کمی وجود دارد که با آب مخلوط شوند. هنگامی که ما یک مخلوط از نفت و نانوذرات داریم، فقط باید از آهن ربا استفاده کنیم تا روی مخلوط گرفته شود و آن را از آب جدا کنیم. علاوه‌بر‌این، محققان پیشنهاد می‌کنند که در صورت تمایل می‌توان این ذرات را از روغن جدا کرد تا بتوان از آن در صنایع مورد نظر استفاده کرد.

کاهش تغییرات آب و هوایی

رساندن سیاره ما به حالت کربن خنثی یا کربن منفی، در آینده‌ی نسبتاً نزدیک پروژه بزرگی است، اما اگر می‌خواهیم بدترین اثرات تغییرات آب و هوایی را کاهش دهیم، باید به آن دست پیدا کنیم. یکی از راه‌های انجام این کار کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای است. مورد دیگر به‌دام انداختن گازهای گلخانه‌ای است. به احتمال زیاد، ما برای رفع این مشکل به ترکیبی از این دو نیاز خواهیم داشت؛ زیرا غلظت کربن در حال حاضر بالاتر از آن چیزی است که ما می‌خواهیم.

استارتاپی به نام SkyNano توسط «آنا داگلاس» در زمانی که او در حال تحصیل در دانشگاه واندربیلت و در مقطع دکترا بود، تاسیس شد. این شرکت یک فرآیند الکتروشیمیایی ایجاد کرده است که انتشار گازهای CO2 را جذب کرده و آن‌ها را به نانولوله‌های کربن جامد تبدیل می‌کند.

این فرآیند بدین صورت است که گازهای گلخانه‌ای وارد می‌شوند و نانولوله‌های کربنی و اکسیژن خارج می‌شوند. این فناوری مزیت جداسازی کربن را دارد که می‌تواند به جو راه پیدا کند. در واقع، شرکت ادعا می‌کند کربن را می‌توان برای بیش از 1000 سال ذخیره کرد و در کاربردهای دیگری که برای آن وجود دارد استفاده کرد.

همانطور که با سایر فناوری‌هایی که در مورد آن صحبت کردیم آشکار شد، نانولوله‌های کربنی همه کاربردها را در فضای فناوری نانو دارند. این فناوری قادر است یکی از بزرگترین مشکلات بشریت را از بین ببرد و آن را به یک منبع مفید تبدیل کند که می‌تواند فواید زیادی داشته باشد. دانشمندان تخمین می‌زنند که می‌توانند 10 درصد از انتشار جهانی را برطرف کنند. این مورد به تنهایی یک راه حل کامل نیست، اما قطعا مفید خواهد بود.