CALM/arwiki huggingface dataset:
إلا أن أحد التحديات التي تواجه طريقة "'تسلسل الضفيرة '" يتمثل في تنقية الطريقة لتحسين ثباتها لتصبح قادرةً على اكتشاف القواعد الفردية. وفي طرائف الأبحاث الأولى، كانت هناك حاجةٌ إلى تكرار النوكليوتيد نحو 100 مرةٍ بنجاحٍ في سلسلةٍ، وذلك بهدف إحداث تغيراً مميزٍ يمكن قياسه. إلا أن الثبات المنخفض هذا يرجع إلى حقيقة أن ضفيرة الحمض النووي تتحرك سريعاً بمعدلٍ يتراوح من 1 إلى 5 ميكروثانيةً لكل قاعدةٍ عبر ثقب النانو. مما جعل عملية التسجيل صعبة ومنصبة على الضوضاء الخلفية، مما جعلها تفشل في تحقيق ثبات النوكليوتيد المفرد. إلا أنه تم مواجهة تلك المشكلة إما من خلال تحسين تقنية التسجيل أو بواسطة ضبط سرعة ضفيرة الحمض النووي بواسطة العديد من خطط هندسة البروتين. هذا وقد تم مؤخراً توضيح تأثيرات القواعد الفردية بسبب البنية الثانوية أو النوكليوتيدات الأحادية المنبعثة (المنطلقة). كما افترض البروفيسور هاغان باي لاي، مؤسس شركة أوكسفورد لثقوب النانو، مؤخراً أن إنشاء موقعين للتمييز والإدراك داخل ثقب ألفا هيمولوسين قد يسمح بتداول المزايا في تمييز القاعدة.
في حين تتمثل إحدى تحديات "منهجية النيوكليس الخارجي"، حيث يُغَذِّي الإنزيم العلاجي القواعد الفردية، في الترتيب الصحيح، وداخل ثقب النانو، في دمج أنظمة النيوكليس الخارجي واكتشاف ثقب النانو. وعلى الأخص، تتمثل المشكلة في أنه عندما يُحَلميء (يسكر الرابطة الكيميائية) النيوكليس الخارجي روابط phosphodieseter بين النوكليوتيدات في الحمض النووي، فليس من الضروري أن يتم اعتماد النوكليوتيد المنطلق ليتحرك مباشرةً صوب ثقب alpha-hemolysin النانوي. وأحد الأفكار تتمثل في أن يتم توصيل النيوكليس الخارجي بثقب النانو، والذي قد يحدث عبر Biotinylation إلى إنزيم الحالة الدموية (هيموليسين) بيتا بارل . فقد يصطف الثقب الفردي للبروتين مع الرواسب المتغيرة المرتبة ومن ثم تظهر الشحنات الموجبة والسالبة على الجوانب المتقابلة للثقب. على الرغم من ذلك، تُعَدُ تلك الآلية مميزةٍ مبدئياً ولا تشكل آليةً لإرشاد وتوجيه النوكليوتيدات في دربها الخاص.
كانت مختبرات أليغانت هي الأولى لترخص وتطور ثقوب النانو ، إلا أنه ليس لها أية أبحاثٍ استكشافيةٍ خاصةٍ في المجال.
في حين سجلت شركة أكسفورد لتقنبات ثقب النانو في عام 2008 ترخيصاً للتقانة من كلٍ من هارفارد وجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز وجامعاتٍ أخرى ، كما أنها تقوم بتطوير تقانة ثقوب النانو الصلبة والبروتينية بهدف تستسل الحمض النووي وتحديد الدلالات الحيوية، تعاطي العقاقير، ووعدداً آخراً من الجزيئات.
كما قامت شركة Sequenom باستخراج ترخيص عملٍ في مجال تقانة الصغائر من هارفارد في عام 2007 باستخدام تلك المنهجية التي تجمع ثقوب النانو وملصقات النيون. ثم ما لبثت شركة Noblegen أن رخصت نفس التقانة.
هذا وتُعَدُ شركة NABsys مشتقة من جامعة براون وتقوم بالبحث في مجال ثقوب النانو كطريقةٍ لتحديد مناطق الحمض النووي الضفيري الفردي والذي تم تهجينه باستخدام مسابير الحمض النووي الخاصة.
تتسم مسطرة النانو بأنها مسطرةً ذات أبعادٍ دقيقةٍ، مصنوعةً من بنية شبكية بلورية من السليكون. وحيث أن وظيفة تلك المسطرة هي قياس الأجزاء أو القطع نانومترية المقياس، فإن لها القدرة على تحديد مستقبل صناعة تقنية النانو. وبما أن خصائص السليكون هي جد معروفةٍ لنا، فإن المسافة بين خطٍ شبكيٍ وشعريٍ لبلورةٍ واحدةٍ هو أيضاً جد معروف. ومن ثم، فإن حساب أو عد تلك الخطوط له القدرة على الكشف عن مقياسٍ أو وسيلة قياسٍ دقيقةٍ جداً بصورةٍ واضحةٍ.
وكانت تلك المسطرة قد طور بنيتها المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ، وتم الكشف عنها بعد ذلك عام 2005.
هذا ويشير لفظ مسطرة النانو كذلك إلى اسم تلك الآلة التي تنتج نماذج مشبكة كبيرة الحجم (أكبر من 300 مليمتر × 300 مليمتر) ذات دقة نانومترية، والقائمة على مبدأ الطباعة الحجرية بمسح تداخل الأشعة . وبدلاً من استخدام الأسلوب التقليدي في إنتاج الشباك بواسطة التسطير الآلي، يقوم هذا الأسلوب بالتسطير عبر تداخل أو تفاعل الأشعة الضوئية. كما تم تطوير مسطرة النانو في مختبر تقانة الفضاء النانوية بمعهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء بمعهد ماساتشوستس للتقنية.
يشكل علم احتكاك النانو فرعًا من علم الاحتكاك الذي يدرس ظاهرات الاحتكاك، الاهتراء، الالتصاق والتزليق على المستوى النانوي، حيث لا يُستهان بالتفاعلات الذرية والتأثيرات الكمية. يهدف هذا التخصص إلى تحديد خصائص الأسطح وتعديلها للأغراض العلمية والتكنولوجية على السواء.
اشتملت بحوث علم احتكاك النانو تاريخيًا على منهجيات مباشرة وغير مباشرة. استُخدمت تقنيات مجهرية، بما في ذلك مجهر المسح النفقي، ومجهر القوة الذرية، وجهاز قوى الأسطح، لتحليل الأسطح ذات الدقة العالية للغاية، في حين استُخدمت أيضًا على نطاق واسع طرق غير مباشرة مثل الطرق الحاسوبية (نمذجة جزيئية) والتوازن الدقيق ببلورة المرو.
لتغيير طوبولوجيا الأسطح على المستوى النانوي، يمكن إما تقليل الاحتكاك أو تعزيزه بشكل أكبر من التزليق المجهري والالتصاق، وبهذه الطريقة يمكن التوصل إلى تزليق والتصاق فائقين. في الأجهزة الكهروميكانيكية الصغرى والصغائر، يمكن حل مشكلتي الاحتكاك والاهتراء الحرجتين بسبب نسبة حجم السطح العالية جدًا، من خلال تغطية الأجزاء المتحركة بتغطيات فائقة التزليق. من ناحية أخرى، حيث يعتبر الالتصاق مشكلة، تتيح تقنيات احتكاك النانو إمكانية التغلب على هذه الصعوبات.
كان الاحتكاك والاهتراء من القضايا التقنية منذ العصور القديمة. من ناحية، كان النهج العلمي الذي اتُبع في القرون الماضية نحو فهم الآليات الأساسية يركز على الجوانب المجهرية لعلم الاحتكاك. من ناحية أخرى، في علم احتكاك النانو، تتكون النظم المدروسة من هياكل نانومترية، حيث يمكن اعتبار قوى الحجم (مثل تلك المتعلقة بالكتلة والجاذبية) قليلة بالمقارنة مع قوى السطح. لم تطوَر المعدات العلمية لدراسة مثل هذه النظم إلا في النصف الثاني من القرن العشرين. في عام 1969، طُورت الطريقة الأولى لدراسة سلوك غشاء سائل رقيق جزيئي وُضع بين سطحين ناعمين من خلال جهاز قوى الأسطح. منذ نقطة البداية هذه، كان الباحثون في ثمانينيات القرن العشرين يستخدمون تقنيات أخرى لفحص أسطح الحالة الصلبة على المقياس الذري.
بدأت الملاحظة المباشرة للاحتكاك والاهتراء على المستوى النانوي مع أول مجهر مسح نفقي، الذي يمكنه الحصول على صور ثلاثية الأبعاد للأسطح ذات الدقة الذرية، إذ طُورت هذه الأداة على يد كل من جيرد بينينج وهاينريخ روهرير في عام 1981. يمكن لمجهر المسح النفقي أن يفحص المواد الموصلة فقط، ولكن في عام 1985 تُمكِن أيضًا من مراقبة الأسطح غير الموصلية عن طريق اختراع مجهر القوة الذرية على يد بينينج وزملاؤه. بعد ذلك، عُدل مجهر القوة الذرية للحصول على بيانات عن القوى العمودية والاحتكاكية: تسمى هذه المجاهر المعدلة بمجاهر قوة الاحتكاك أو مجاهر القوة الجانبية. استُخدم مصطلح «علم احتكاك النانو» لأول مرة في عنوان منشور صدر في عام 1990، قُدم فيه تقرير عن دراسات مجهر القوة الذرية للاحتكاك «الانزلاقي الالتصاقي» على أغشية الماسية. عُرف «علم احتكاك النانو» لأول مرة على أنه مجال فرعي لعلم الاحتكاك يشمل مجموعة من الطرق التجريبية والحوسبية في منشور نُشر عام 1991 يُذكر فيه قياسات التوازن الدقيق ببلورة المرو لمستويات الاحتكاك الانزلاقية لأغشية سميكة ذات ذرة واحدة.
منذ بداية القرن الحادي والعشرين، استُخدمت طرق المحاكاة الذرية القائمة على الحاسوب لدراسة سلوك المخشنات الفردية، حتى تلك التي تتكون من ذرات قليلة. بفضل هذه التقنيات، يمكن فهم طبيعة الروابط والتفاعلات في المواد بدقة زمنية ومكانية عالية.
الاحتكاك.
عادة ما يُجعل الاحتكاك، القوة المعارضة للحركة النسبية، مثاليًا من خلال بعض القوانين التجريبية مثل قانوني أمونتون الأول والثاني، وقانون كولوم. لكن في المقياس النانوي، قد تفقد مثل هذه القوانين صلاحيتها. على سبيل المثال، ينص قانون أمونتون الثاني على أن معامل الاحتكاك مستقل عن منطقة التلامس. عمومًا، تكون للأسطح، مخشنات، تقلل من منطقة التلامس الفعلية، وبالتالي، فإن تقليل هذه المنطقة يمكن أن يقلل الاحتكاك.
في أثناء عملية المسح باستخدام مجهر القوة الذرية أو مجهر قوة الاحتكاك، يمر الطرف، منزلقًا على سطح العينة، عبر كل من نقاط طاقة الوضع العالية والمنخفضة (المستقرة)، المحددة، على سبيل المثال، من خلال مواضع ذرية أو على مقياس أكبر، من خلال خشونة السطح. دون أخذ التأثيرات الحرارية في الاعتبار، فإن القوة الوحيدة التي تجعل الطرف يتغلب على حواجز الوضع هذه هي قوة النابض التي يمنحها الدعم: وهذا يؤدي إلى حركة انزلاقية التصاقية.
على المستوي النانوي، يعتمد معامل الاحتكاك على عدة ظروف. على سبيل المثال، مع ظروف تحميل خفيفة، يميل إلى أن يكون أقل مما يكون على المستوى الماكروي. مع ظروف تحميل أعلى، يميل هذا المعامل إلى أن يكون مماثلًا للمعامل المجهري. يمكن أيضًا أن تؤثر درجة الحرارة وسرعة الحركة النسبية على الاحتكاك.
التزليق والتزليق الفائق على المقياس الذري.
يعد التزليق تقنية مستخدمة لتقليل الاحتكاك بين سطحين في تلامس متبادل. بصفة عامة، تكون المزلقات عبارة عن موائع تُدخل بين هذين السطحين لتقليل الاحتكاك.
مع ذلك، في الأجهزة النانوية أو المايكروية، غالبًا ما يكون التزليق مطلوبًا وتصبح المزلقات التقليدية شديدة اللزوجة عند حصرها في طبقات ذات سُمك جزيئي. تعتمد تقنية أكثر فعالية على الأغشية الرقيقة، التي تُنتج عادةً بواسطة ترسيب لانغمير-بلودغيت، أو طبقة أحادية ذاتية التجميع.
تُستخدم الأغشية الرقيقة والطبقات الأحادية ذاتية التجميع لزيادة ظاهرة الالتصاق.
وُجد أن غشائين رقيقين من مزلقات مشبعة بالفلور مع تركيبة كيميائية مختلفة لهما سلوكيات معاكسة في البيئة الرطبة: تزيد خاصية كراهية الماء من قوة الالتصاق وتخفض من تزليق أغشية ذات مجموعات لاقطبية، وبدلًا من ذلك، فإن خاصية محبة الماء لها تأثيرات معاكسة مع مجموعات قطبية.
التزليق الفائق.
«يعتبر التزليق الفائق حالة تريبلوجية لا احتكاكية تحدث أحيانًا في اتصال المواد على مستوى النانوي».
على المستوى النانوي، يميل الاحتكاك إلى عدم تجانس الخواص: إذا كان لسطحين ينزلقان عكس بعضهما البعض هياكل شبكية سطحية غير متناسبة، فإن كل ذرة تخضع لكمية مختلفة من القوة من اتجاهات مختلفة. في هذه الحالة، يمكن أن تعوض القوى بعضها البعض، ما يؤدي إلى شبه انعدام الاحتكاك (احتكاك صفري).
وُجد أول دليل على ذلك باستخدام مجهر مسح نفقي عالي الفراغ للقياس. إذا كانت المشابك غير قابلة للتناسب، فإن الاحتكاك لم يلاحَظ، ومع ذلك، إذا كانت الأسطح قابلة للتناسب، تكون قوة الاحتكاك قائمة. على المستوى الذري، ترتبط هذه الخصائص التريبلوجية مباشرة بالتزليق الفائق.
تعطي المزلقات الصلبة مثالًا لذلك، مثل الغرافيت وثاني كبريتيد الموليبدينوم وكربيد سيليكون التيتانيوم: يمكن تفسير ذلك بانخفاض مقاومة القص بين الطبقات بسبب التركيب الطبقي لهذه المواد الصلبة.
حتى لو كان الاحتكاك على المقياس المجهري ينطوي على عدة اتصالات مايكروية ذات حجم واتجاه مختلفين، استنادًا إلى هذه التجارب، يمكن التوقع بأن جزءًا كبيرًا من الملامسات ستكون في نظام فائق التزليق. يؤدي ذلك إلى انخفاض كبير في متوسط قوة الاحتكاك، ما يفسر سبب وجود تأثير المزلقات في مثل مواد الصلب هذه.
تظهر التجارب الأخرى التي أجريت مع مجهر القوة الجانبية أن النظام الانزلاقي الالتصاقي غير مرئي إذا كان الحمل العادي المطبق سالبًا: يكون انزلاق الطرف سلسًا ويبدو متوسط قوة الاحتكاك صفرًا.
قد تتضمن آليات التزليق الأخرى ما يلي: (أ) التنافر الديناميكي الحراري الناتج عن طبقة من الجزيئات الماكروية الحرة أو المطعمة بين الأجسام بحيث تقل إنتروبيا الطبقة المتوسطة على مسافات صغيرة بسبب العزل الأقوى، (ب) التنافر الكهربائي بسبب الجهد الكهربائي الخارجي، (ج) التنافر بسبب الطبقة الكهربائية المزدوجة، (د) التنافر بسبب التقلبات الحرارية.
تؤثر تقنية النانو على مجال السلع الاستهلاكية، إذ توجد العديد من المنتجات التي تتضمن مواد نانوية بالفعل في مجموعة متنوعة من العناصر؛ لا يدرك الناس حتى أن العديد منها يحتوي على جسيمات نانوية. تتراوح المنتجات ذات الوظائف الجديدة من منتجات التنظيف الذاتي إلى المقاومة للخدش. مثل مصدات سيارات أخف وزنًا، وملابس طاردة للبقع أكثر، وواقيات شمس أكثر مقاومة للإشعاع، وعظام اصطناعية أقوى، وشاشات هاتف خلوي أخف وزنًا، وعبوات زجاجية للمشروبات تؤدي إلى عمر تخزيني أطول وتصنيع كرات أكثر متانة للعديد من الألعاب الرياضية باستخدام تقنية النانو. وباستخدام تقنية النانو ستصبح المنسوجات الحديثة في الأجل المتوسط «ذكية»، بفضل «إلكترونيات قابلة للارتداء» مدمجة، وتملك هذه المنتجات الجديدة أيضًا إمكانات واعدة خاصةً في مجال مستحضرات التجميل، ولها العديد من التطبيقات المحتملة في الصناعات الثقيلة. ومن المتوقع أن تكون تقنية النانو المحرك الرئيس للتكنولوجيا والأعمال في هذا القرن، وتبشر بمواد عالية الأداء ونظم ذكية وأساليب إنتاج جديدة لها تأثير كبير على جميع جوانب المجتمع.
يمكن حل مجموعة معقدة من التحديات الهندسية والعلمية في صناعة الأغذية والمعالجة الحيوية لتصنيع أغذية عالية الجودة وآمنة باستخدام وسائل فعالة ومستدامة من خلال تقنية النانو. تُعد كل من عمليات اكتشاف البكتيريا ومراقبة جودة الأغذية باستخدام المستشعرات الحيوية؛ وأنظمة تغليف الأغذية الذكية والنشطة؛ والتغليف النانوي للمكونات الغذائية النشطة حيويًا، أمثلة قليلة على التطبيقات الناشئة لتقنية النانو في صناعة الأغذية. يمكن تطبيق تقنية النانو في مجالات إنتاج الغذاء ومعالجته وسلامته وتغليفه. يمكن لعملية تغطية المركبات النانوية تحسين تغليف الأغذية بإضافة عناصر مضادة للميكروبات مباشرةً على سطح الغلاف المغطى. قد تزيد المركبات النانوية أو تقلل من نفاذية الغاز في الحشوات المختلفة حسب حاجة المنتجات المختلفة. يمكنها أيضًا تحسين الخواص الميكانيكية والمقاومة للحرارة وخفض معدل نقل الأكسجين. تُجرى العديد من الأبحاث لتطبيق تقنية النانو على عملية الكشف عن المواد الكيميائية والبيولوجية في الأغذية.
عمومًا، لا يسمح بالمواد الغذائية المغشوشة، وفقًا لقانون الغذاء والدواء ومواد التجميل (المادة 402). يجب أن تتوافق المضافات إلى الأغذية مع جميع اللوائح الواردة في تعديل المضافات الغذائية لعام 1958 وكذلك قانون تحديث إدارة الغذاء والدواء لعام 1997. بالإضافة إلى ذلك، تُلزم المضافات الملونة بالامتثال لجميع اللوائح المنصوص عليها في تعديلات المضافات الملونة لعام 1960. يجب إجراء تقييم سلامة على جميع المواد الغذائية لتقديمها لإدارة الغذاء والدواء الأمريكية والموافقة عليها. تتضمن المعلومات الإلزامية في هذا التقييم الهوية والتأثيرات التقنية ومستويات الاستخدام المقيدة ذاتيًا والتعرض الغذائي ودراسات السلامة لعمليات التصنيع المستخدمة، بما في ذلك استخدام تقنية النانو. تلزم الجهات المصنعة للأغذية بتقييم ما إذا كانت هوية أو سلامة أو الحالة التنظيمية لمادة غذائية تتأثر بالتغيرات الكبيرة في عمليات التصنيع، مثل استخدام تقنية النانو. تناقش إدارة الغذاء والدواء الأمريكية في الوثيقة التوجيهية المنشورة في أبريل 2012، الاعتبارات والتوصيات التي قد تنطبق على هذا التقييم.
تظهر الأغذية الجديدة من المنتجات الاستهلاكية التي تُنتج بتقنية النانو في السوق بمعدل 3 إلى 4 سلع أسبوعيًا، وفقًا لمشروع تقانة النانو الناشئة (بّي إي إن)، واستنادًا إلى قائمة جرد أُجريت على 609 منتج نانوي معروف أو مزعوم. تضمن قائمة مشروع تقانة النانو الناشئة، ثلاثة أطعمة -نوع من زيت الكانولا يدعى كانولا أكتف أويل، وشاي يدعى نانو تي، ومخفوق شوكولاتة للحمية يدعى نانوسيوتيكال سليم شيك شوكلات. وفقًا لمعلومات الشركة المنشورة على موقع مشروع تقانة النانو الناشئة على شبكة الإنترنت، يحتوي زيت الكانولا، من إنتاج شركة شيمن الصناعية في إسرائيل، على مادة مضافة تسمى «نقاط نانوية» مصممة لنقل الفيتامينات والمعادن والمواد الكيميائية النباتية عبر الجهاز الهضمي واليوريا. ووفقًا لما ذكرته شركة آر بي سي علوم الحياة المصنعة الأمريكية، فإن المخفوق يستخدم «عناقيد نانوية» تحتوي على الكاكاو لتعزيز مذاق الكاكاو وفوائده الصحية دون الحاجة إلى سكر إضافي.
السلع الاستهلاكية.
الأسطح والأغلفة.
أبرز تطبيق للتكنولوجيا النانوية في مجال الأدوات المنزلية هو الأسطح ذاتية التنظيف أو «سهلة التنظيف» على السيراميك أو النظارات. حسنت جسيمات السيراميك النانوية من النعومة ومقاومة الحرارة للأجهزة المنزلية الشائعة مثل المكواة المسطحة.
تتوفر في السوق نظارة شمسية تستخدم طبقات بوليمر رقيقة للغاية واقية ومضادة للانعكاس. بالنسبة للبصريات، تقدم تقنية النانو أيضًا أغلفة سطحية مقاومة للخدش تستخدم مركبات نانوية. قد تسمح البصريات النانوية بزيادة دقة تصحيح بؤبؤ العين والأشكال الأخرى من عمليات الليزر الجراحية للعين.
تُستخدم ألياف النانو الهندسية بالفعل في تصنيع ملابس طاردة للماء والبقع أو خالية من التجاعيد. يمكن غسل الأقمشة التي تستخدم تقنية نانوية في الإنهاء مرات أقل وفي درجات حرارة منخفضة. استُخدمت تقنية النانو لدمج أغشية جزيئات الكربون الصغيرة وضمان حماية كامل السطح من الشحنات الكهروستاتيكية لمردتيها. طورت العديد من التطبيقات الأخرى في المؤسسات البحثية مثل مختبر تقنية المنسوجات النانوية في جامعة كورنيل، ومختبر علوم الدفاع والتكنولوجيا (دي إس تي إل) البريطاني وشركتها المنفصلة بّي 2 آي.
تتمثل أحد مجالات تطبيقات تقنية النانو في واقيات الشمس. تعاني الطريقة التقليدية للحماية من الأشعة فوق البنفسجية من افتقارها إلى الثبات طويل الأمد. توفر واقيات الشمس التي تعتمد على جسيمات نانوية معدنية مثل أكسيد التيتانيوم العديد من المزايا. تمتلك الجسيمات النانوية لأكسيد التيتانيوم خاصية حماية من الأشعة فوق البنفسجية مماثلة للمادة الكتلية، لكن تفقد التبييض غير المرغوب فيه تجميليًا مع انخفاض حجم الجسيمات.
يمكن أن تلعب تقنية النانو أيضًا دورًا في الألعاب الرياضية مثل كرة القدم وكرة القدم الأمريكية والبيسبول. يمكن تصنيع مواد لأحذية رياضية جديدة لجعل الحذاء أخف (والرياضي أسرع). تصنع مضارب البيسبول الموجودة بالفعل في السوق من الأنابيب النانوية الكربونية تعزز الراتنج الذي يقال إنه يحسن من أدائه بجعله أخف وزنًا. هناك عناصر أخرى مثل المناشف الرياضية وحصائر اليوغا وحصائر التمرينات الرياضية معروضة في السوق ويستخدمها لاعبون في الرابطة الوطنية لكرة القدم الأمريكية، التي تستخدم تقنية النانو المضادة للميكروبات لمنع الطفيليات والأمراض التي تسببها البكتيريا مثل المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين (المعروفة باسم إم آر إس إيه).
نانو باما
نانو باما هو اسم الصورة المصغرة لرئيس الولايات المتحدة، باراك أوباما.
انشئت للاحتفال بانتخاب أوباما، ولفت الموضوع الانتباه إلى القدرات المتنامية لتقنية النانو، والبروفيسور جون هارت من جامعة ميشيغان في قسم الهندسة الميكانيكية هو من انشأ أصغر صورة في العالم، عبر قياس 500 ميكرومتر.
يهتم علم الموائع النانوي بدراسة سلوك، معالجة، وضبط الموائع المحصورة فقط ضمن الهياكل ذات الأبعاد النانومترية (عادةً من 1- 100 نانومتراً) (النانومتر = 10−9 مليمتر). هذا وتعرض الموائع المحصورة ضمن تلك الهياكل مجموعةً من السلوكيات الفيزيائية والتي لا يمكن ملاحظتها في الهياكل الأكبر حجماً، والتي منها تلك الهياكل ذات الأبعاد الميكرومترية، وذلك بسبب أن الأطوال الفيزيائية المميزة للمائع (مثال طول ديباي، نصف قطر هيدروناميكي ) تتداخل بشدة مع أبعاد الهياكل النانوية نفسها.
عندما تقترب الهياكل من نظام الحجم المتوافق مع أطوال التحجيم الجزيئية، يتم وضع القيود الفيزيائية الجديدة على سلوك المائع. وعلى سبيل المثال، تستميل القيود الفيزيائية تلك مناطق المائع لاستعراض خصائصاً جديدةً لا تلاحظ في الكتلة السائبة، ومثال ذلك اللزوجة المتزايدة على نحوٍ واسعٍ بالقرب من حائط الثقب (المسام)؛ حيث أنها قد تؤثر على التغيرات في الخصائص الديناميكية الحرارية، كما أنها قد تغير كذلك التفاعلية الكيميائية للأصناف المتواجدة في الوسائط القائمة بين المائع والصلب. وقد تم استعراض مثالاً مرتبطاً ومفيداً من خلال المحاليل الكهرلية المحصورة ضمن ثقوب النانو والتي تحتوي على شحنات سطحية ، والتي منها للتوضيح الواجهات أو الوسائط المكهربة ، كما تم توضيحه في غشاء المصفوفة الشعرية النانوية (كما هو موضح بالشكل المرفق على اليسار).
وهنا يجب ملاحظة أن كل واجهات التفاعل (الوسائط) المعتمدة تحفز توزيع الشحنة المنظمة بالقرب من السطح المعروف بـ اسم الطبقة المزدوجة الكهربائية . قد توسع الطبقة المزدوجة الكهربائية والتي تحدد أبعادها مسام أو ثقوب النانومتر من عرض ثقب النانو، مما يؤدي إلى تغيرات جوهرية في تركيب المائع والخصائص المرتبطة بحركة المائع في البنية التركيبية. على سبيل المثال، نسبة سطح الثقب إلى الكمية تسفر عن تفوق وغلبة الأيونات المقابلة (للتوضيح: الأيونات المشحونة عكسياً لشحنات الحائط الساكنة) على الأيونات المتوافقة (التي تمتلك نفس الإشارة كشحنات الحائط)، ففي العديد من حالات الاستقصاء شبه الكامل للأيونات المتوافقة، فإنه مثل ذلك لا يتواجد سوى صنف أو نوع أيوني واحد فقط في الثقب. وهنا قد يُستخدم هذا لمعالجة الأصناف ذات القطبية المنتقاة على طول الثقب لإنجاز مشروع معالجةٍ موائعيةٍ ير معهودةٍ وغير المتاح في الهياكل الميكرومترية أو الأكبر حجماً.
نشر رايس ووايت هيد في عام 1965 مساهمتهما الجوهرية في نظرية نقل المحاليل الكهرلية في الشعيرات نانوية نصف القطر (غير المحددة بصورةٍ مثاليةٍ). وباختصار، يتم منح الكمون الكهربائي، "ϕ" ، على مسافةٍ قطريةٍ، "r"، بواسطة معادلة معادلة بويزون- بولتزمان :
حيث تشير "κ" إلى طول ديباي،
فمن خلال تحديد كثافة عدد الأيون، "n"، ثابت العازل الكهربائي "ε"، ثابت بولتزمان، "k"، ودرجة الحرارة،"T"، يمكن استعادة معرفة طاقة الوضع، "φ(r)"، كثافة الشحنة من معادلة بويزون ، والذي يمكن التعبير عن حله على أنه دلو بسل معدلة من النوع الأول، "I0"، وأنه تم ادراجها إلى نصف قطر الأنبوبة الشعرية، "a". وهنا يمكن كتابة معادلة الحركة تحت الضغط المصاحب والتيار المدفوع كهربائياً :
حيث تكون "η" معبراً عن اللزوجة، "dp/dz" تمثل تدرج الضغط، و "Fz" ممثلاً لقوة الجسم المدفوعة بواسطة حركة الحقل الكهربائي التطبيقي، "Ez"، على كثافة شحنة الشبكة في الطبقة المزدوجة. وعندما لا يكون هناك ضغطاً تطبيقياً، فإن التوزيع القطري للسرعة يصاغ كالتالي:
ومن المعادلة السابقة، فهي تتبع أن تيار السائل أو المائع في الشعريات النانوية يمكن ضبطه بواسطة منتج "κa"، وهذا هو ما يمثل الأحجام النسبية لطول ديباي ونصف قطر الثقب. وكذلك فبواسطة تعديل أو ضبط هاذين العاملين وسطح كثافة شحنة ثقوب النانو السطحية، يمكن معالجة تيار السائل كما هو مرغوب.
يمكن تصنيع الهياكل النانوية كقنواتٍ اسطوانيةٍ مفردةٍ، شقوق نانوية، أو مصفوفات قنوات نانوية من موادٍ متنوعةٍ منها السيليكون، الزجاج، أو البوليمرات (والتي منها على سبيل المثال بولي ميتاكريلات الميثيل ، بولي ديميثيل سلوكسان ، PCTE) بالإضافة إلى الحوصيلات التركيبية الصناعية. هذا وتستخدم الطباعة الحجرية الضوئية المعيارية، التوافق السطحي أو الكتلي الدقيق، أساليب النسخ المتماثل (النقش، الطباعة، الصب، وصب الحقن)، المسار النووي أو الخرط الكيميائي ، غالباً في تصنيع الهياكل التي تستعرض سلوكاً موائعياً نانوياً مميزاً.
وبسبب الحجم الصغير للقنوات الموائعية، يتم تطبيق الهياكل الموائعية الدقيقة في مواقفٍ التي تتطلب معالجة العينات في الكميات الصغيرة بصورةٍ زائدةٍ، والتي منها حساب كولتر ، عمليات الفصل والتحديد التحليلي للجزيئات الحيوية، مثل البروتينات والدنا ، بالإضافة إلى المعالجة السطحية للعينات محدودة الكتلة. ولعل واحدةٌ من أكثر المجالات الواعدة تتمثل في قدرتها على الاندماج ضمن أنظمة الموائع الدقيقة، للتوضيح؛ الأنظمة التحليلية الدقيقة الشاملة أو هياكل هياكل المختبر على رقاقة. مع ملاحظة أنه عندما يتم دمج NCAMs داخل أجهزة الموائع النانوية، يصبح لها القدرة على القيام بعملية تحولٍ رقميٍ بصورةٍ متزايدةٍ، مما يسمح بتحول المائع من قناةٍ موائعيةٍ دقيقةٍ إلى أخرى ، حيث تفصل الانتقائية وتنقل المحللات (analytes) بواسطة الحجم والكتلة, ، بالإضافة إلى خلط المتفاعلات بفاعلية ، وكذلك فصل الموائع ذات الخصائص المتفاوتة المتباينة. كما أنه يوجد هناك تناظراً طبيعياً فيما بين المائع المتناول لقدرات الهياكل الموائعية النانوية وقدرة المكونات الكهروإلكترونية على ضبط تيار الإلكترونيات والثقوب. حيث استُخْدِم ذلك التناظر لتحقيق الوظائف الإلكترونية النشطة والتي منها مثلاً تصحيح الموجة (التكرير) (rectification) والتأثير الحقلي بالإضافة إلى حركة المقحل ثنائية القطب ذات التيارات الأيونية. كذلك يمكن استخدام تطبيقات الموائع النانوية في مجال البصريات النانوية لإنتاج tuneable microlens array.
هذا وللموائع النانوية تأثيراً هاماً وحيوياً في مجالات التقانة الحيوية، الطب والتشخيصات السريرية مع تطوير أجهزة المختبرات على رقاقة من أجل تحقيق تفاعل البوليميراز المتسلسل (بي سي آر) والأساليب الأخرى المرتبطة به.
وبما أن علم الموائع النانوي ما زال في مرحلة صباه المبكرة، فنستطيع أن نتوقع نمواً سريعاً في مجا التطبيقات الجديدة خلال الأعوام القادمة.
نشأت العديد من التحديات المصاحبة لتدفق تيار الموائع عبر الأنابيب النانوية الكربونية والمواسير النانوية. ومن تلك التحديات الشائعة إعاقة القناة بسبب الجزيئات النانوية الضخمة المتواجدة في المائع. وكذلك يمكن للحطام غير القابل للزوبان في المائع أن يسد الأنبوب بسهولة. ولعل أحد حلول ذلك تتمثل في محاولات الباحثين العثور على طبقة طلاءٍ أقل احتكاكاً أو موادٍ لتصنيع القناة تساعد على تقليص إعاقة الأنابيب. ومن الأسباب الأخرى كذلك حجم البوليمرات الضخم، متضمنةً الجزيئات المرتبطة حيوياً مثل الدنا غالباً ما تثنى في الحيوية. مما يسفر عن إعاقة للمائع بسبب أن جزيئات الحمض النووي (دنا) الناجمة من الفيروس لها أطوال تتراوح من 100 إلى 200 كيلو قاعدي والتي تشكل ملفاً أو شبكة أنبوبية من نصف قطرٍ يصل إلى 700 نانومتراً في المحلول المائي في 20%. كما أن هذا يُعد أضخم مراتٍ عديدةٍ من قطر الثقب للأنابيب الكربونية الضخمة الأحادية ومرتين من مقدار قطر أنبوبٍ نانويٍ كربونيٍ أحادي الجدار.
يعد الترشيح النانوي عملية ترشيحٍ غشائي membrane filtration حديثة نسبياً غالباً ما كانت تستخدم مع مياه إجمالي المواد المذابة total dissolved solids المنخفضة ومنها المياه السطحية surface water العذبة والمياه الجوفية groundwater العذبة، بهدف فصل وإزالة الأيونات متعددة التكافؤ من عناصر ثقيلة مثل الحديد والمنجنيز الزائدة عن الحد . وكذلك إزالة مواد عالقة ببعض المنتجات العضوية الطبيعية والمواد العضوية الاصطناعية.
كما تتزايد نطاق استخدام الترشيح النانوي في تطبيقات الصناعات الغذائية ومنها منتجات الألبان dairy وعملية نزع المعدنيات (الأيونات أحادية التكافؤ demineralisation.
طبقا لتعريف الترشيح النانوي فهو يختص باستخدام أغشية خاصه ذات مسام في حدود 2 نانومتر . وهذا ما تختلف فيه مع أنواع أخرى من أغشية ترشيح تستخدم في ترشيح مستدق و مرشح الميكرون
بغرض فصل مواد ذائبة من محلول، فهذه يتبع فيها طريقة التناضح العكسي التي تستخدم في تحلية مياه البحر، أي فصل الملح الذائب من الماء، فيصبح ماء عذبا. وتستخدم طريقة التناضح العكسي (أو الأزموزي العكسي) ضغوطا عالية تصل غلى نحو 60 ضغط جوي.
أما طريقة الترشيح النانوي فهي تتم بمرشحات دقيقة وعند ضغوط صغيرة . وتحدد الصفات الحرارية واستقرار مواد أغشيتها طرق استخدامها، ولهذا فهي تطبق في الغالب على المياه.
يمثل الترشيح النانوي تقنية ببين الترشيح المستدق و التناضح العكسي reverse osmosis ، حيث يكون سعة المسام نحو 2 نانومتر . كما
تقدر أغشية المرشح النانوي عادةً بـحد فصل يسمى حد الوزن الجزيئي molecular weight cut-off بدلاً من حجم المسامة الواحدة الصغيرة. ويقدر حد الوزن الجزيئي عادةً بأقل من 100 وحدات كتلة ذرية . وتستخدم وحدة دالتون للتعبير عنها حيث أن الكتلة "دالتون" تمثل كتلة بروتون واحد أو كتلة نيوترون واحد .
يصل الضغط المستخدم في الترشيح النانوي نحو 3 ميجاباسكال. وهو ضغط أقل بكثير من الضغوط المستخدمة في التناضح العكسي. وهذا يخفض من يقلل من تكلفة المعالجة بصورةٍ واضحةٍ. على الرغم من ذلك، فإن أغشية الترشيح النانوي ما زالت عرضةً للتحجيم scaling (أي تزايد الترسب وتكوين كيك الترشيح مما يبطئ عملية الترشيح ) والإفساد fouling (أي تكون النمو الفطري والتعفن) . ولهذا يستخدم مع تلك الأغشية ما يسمى مضادات التحجيم anti-scalants ومضادات التعفن .
تطبيقات تنقية المياه.