tomron87/hebrew-wikipedia-sentences-corpus huggingface dataset:
בגיליון אוקטובר 2005 של כתב העת Chemistry and Biology פורסם מאמר שתיאר את השימוש בפולרנים כסוכנים אנטי-מיקרוביאליים המופעלים על ידי אור.
בתחום הננוטכנולוגיה, עמידות לחום ומוליכות-על הן בין התכונות שמעוררות עניין רב במחקר.
שיטה נפוצה לייצור פולרנים היא העברת זרם חשמלי חזק בין שתי אלקטרודות גרפיט סמוכות באטמוספירה אינרטית.
קשת הפלזמה הפחמנית שנוצרת בין האלקטרודות מתקררת לשאריות פיח שממנה ניתן לבודד פולרנים רבים.
בוצעו חישובים רבים באמצעות שיטות קוונטיות ab-initio שיושמו על פולרנים.
בעזרת שיטות DFT ו-TDDFT ניתן לקבל ספקטרום IR, ראמאן ו-UV.
תוצאות חישובים כאלה ניתנות להשוואה עם תוצאות ניסיוניות.
ננו-חומרים אי-אורגניים (למשל נקודות קוונטיות, ננו-חוטים וננו-מוטות) בשל תכונותיהם האופטיות והחשמליות המעניינות, יכולים לשמש באופטואלקטרוניקה.
בנוסף, התכונות האופטיות והאלקטרוניות של ננו־חומרים, שתלויות בגודל ובצורה שלהם, ניתנות לכוונון באמצעות טכניקות סינתטיות.
קיימות אפשרויות להשתמש בחומרים אלה במכשירים אופטואלקטרוניים מבוססי חומרים אורגניים, כגון תאים סולאריים אורגניים , OLED ועוד.
עקרונות הפעולה של מכשירים כאלה נשלטים על ידי תהליכים המושרים על ידי אור כמו העברת אלקטרונים והעברת אנרגיה.
ביצועי המכשירים תלויים ביעילות התהליך המושרה על ידי אור האחראי לתפקודם.
לכן, נדרשת הבנה טובה יותר של תהליכים מושרים על ידי אור במערכות מרוכבות של ננו-חומרים אורגניים/אי-אורגניים כדי שניתן יהיה להשתמש בהם במכשירים אופטואלקטרוניים.
ננו-חלקיקים או ננו-גבישים העשויים ממתכות, מוליכים למחצה או תחמוצות מעוררים עניין מיוחד בשל תכונותיהם המכניות, החשמליות, המגנטיות, האופטיות, הכימיות ואחרות.
ננו-חלקיקים שימשו כנקודות קוונטיות וכזרזים כימיים כגון זרזים מבוססי ננו-חומרים .
לאחרונה, מגוון רחב של ננו-חלקיקים נחקר בהרחבה עבור יישומים ביו-רפואיים, כולל הנדסת רקמות, הולכת תרופות וביוסנסורים.
ננו־חלקיקים מעוררים עניין מדעי רב, שכן הם מהווים למעשה גשר בין חומרים בתפזורת לבין מבנים אטומיים או מולקולריים.
חומר בתפזורת אמור להיות בעל תכונות פיזיקליות קבועות ללא קשר לגודלו, אך בקנה מידה ננומטרי המצב לרוב שונה.
נצפות תכונות התלויות בגודל כגון ריסון קוונטי בחלקיקי מוליכים למחצה, תהודת פלסמון פני שטח בחלקיקי מתכת מסוימים, וסופר-פאראמגנטיות בחומרים מגנטיים.
ננו-חלקיקים מפגינים מספר תכונות מיוחדות ביחס לחומר בתפזורת.
לדוגמה, הכיפוף של נחושת בתפזורת (חוט, סרט וכו') מתרחש עם תזוזת אטומי/אשכולות נחושת בקנה מידה של כ-50 ננומטר.
ננו-חלקיקי נחושת שגודלם קטן מ-50 ננומטר נחשבים לחומרים קשים במיוחד, שאינם מפגינים את אותה משיכות וגמישות כמו נחושת בתפזורת.
השינוי בתכונות אינו תמיד רצוי.
חומרים פרואלקטריים שגודלם קטן מ-10 ננומטר יכול להחליף את כיוון הקיטוב שלהם באמצעות אנרגיה תרמית בטמפרטורת החדר, ובכך להפוך אותם לבלתי שמישים לאחסון זיכרון.
ניתן ליצור תרחיפים של ננו-חלקיקים משום שהאינטראקציה של פני שטח החלקיק עם הממס חזקה מספיק כדי להתגבר על הבדלי צפיפות, אשר בדרך כלל גורמים לחומר לשקוע או לצוף בנוזל.
לננו-חלקיקים לעיתים קרובות יש תכונות חזותייות בלתי צפויות משום שהם קטנים מספיק כדי לכלוא את האלקטרונים שלהם ולייצר אפקטים קוונטיים.
לדוגמה, תמיסה של ננו-חלקיקי זהב נראית בצבע אדום כהה עד שחור.
יחס שטח הפנים לנפח של ננו-חלקיקים, שלרוב הוא גבוה מאוד, מספק כוח מניע עצום לדיפוזיה, במיוחד בטמפרטורות גבוהות.
סינטור אפשרי בטמפרטורות נמוכות יותר ובמשך זמן קצר יותר מאשר בחלקיקים גדולים יותר.
באופן תאורטי, הדבר אינו משפיע על הצפיפות של המוצר הסופי, אולם קשיי זרימה והנטייה של ננו-חלקיקים להתאגד מסבכים את העניין.
השפעות פני השטח של ננו-חלקיקים מורידות גם את טמפרטורת ההיתוך ההתחלתית.
ניתן להנדס את החוטים הגבישיים הקטנים ביותר האפשריים, בעלי שטח חתך קטן עד כדי אטום בודד, בתוך תחום גלילי.
ננו-צינוריות פחמן, שהם ננו-מבנה טבעי כמעט חד-ממדי, יכולים לשמש כתבנית לסינתזה.
תחום כליאה זה מספק ייצוב מכני ומונע התפרקות של שרשראות אטומיות ליניאריות; מבנים אחרים של ננו-חוטים חד-ממדיים צפויים להיות יציבים מבחינה מכנית גם לאחר בידודם מהתבניות.
חומרים דו-ממדיים הם חומרים גבישיים המורכבים משכבה דו-ממדית יחידה של אטומים.
הנציג החשוב ביותר, גרפן, התגלה בשנת 2004. שכבות דקות בעלי עובי בסקאלה ננומטרית (ננו-פילמים ) נחשבות לננו-מבנים, אך לעיתים אינן נחשבות לננו-חומרים מכיוון שהן אינן קיימות בנפרד מהמצע.
חלק מחומרים בתפזורת מכילים מאפיינים בקנה מידה ננומטרי, כולל חומרים ננו-מרוכבים , חומרים ננו-גבישיים , סרטים ננו-מובנים ומשטחים ננו-מרקמיים .
ננו-מבנה של גרפן בצורת קופסה (BSG) הוא דוגמה לננו-חומר תלת-ממדי.
ננו-מבנה BSG הופיע לאחר ביקוע מכני של גרפיט פירוליטי .
ננו-מבנה זה הוא מערכת רב-שכבתית של ננו-תעלות חלולות מקבילות הממוקמות לאורך המשטח ובעלות חתך מרובע.
עובי דפנות התעלות הוא בקירוב 1 ננומטר.
הרוחב האופייני של חזיתות התעלות הוא כ-25 ננומטר.
ננו-חומרים משמשים במגוון תהליכי ייצור, מוצרים ושירותי בריאות, כולל צבעים, מסננים, חומרי בידוד ותוספים לסיכה.
בתחום הבריאות, ננו-אנזימים הם ננו-חומרים בעלי מאפיינים דמויי אנזימים.
מדובר בסוג חדשני של אנזים מלאכותי, אשר משמש ליישומים רחבים כגון חישה ביולוגית, הדמיה ביולוגית, אבחון גידולים, ועוד.
ניתן לייצר מסננים באיכות גבוהה באמצעות ננו-מבנים, מסננים אלה מסוגלים להסיר חלקיקים קטנים עד גודל של נגיף כפי שהודגם במסנן מים שנוצר על ידי חברת Seldon Technologies.
מתקן ביו-ריאקטור ממברנלי מבוסס ננו-חומרים (NMs-MBR), הוצע לאחרונה כדור הבא של תהליכי טיפול מתקדמים בשפכים.
נעשה שימוש בננו־טכנולוגיה כדי להילחם בהתפשטות נגיף MERS בבתי חולים בסעודיה בשנת 2012. ננו-חומרים משמשים בטכנולוגיות בידוד מודרניות ובטוחות לבני אדם; בעבר נעשה בהם שימוש בבידוד מבוסס אסבסט.
כתוסף סיכה, לננו-חומרים יש יכולת להפחית חיכוך בחלקים נעים.
ניתן לתקן חלקים שחוקים וחלודים גם באמצעות ננו-חלקיקים אניזוטרופיים המתארגנים מעצמם ונקראים TriboTEX.
ננו-חומרים יושמו גם במגוון תעשיות ומוצרי צריכה.
ננו־חלקיקים מינרליים כמו תחמוצת טיטניום משמשים לשיפור ההגנה מפני קרינה אולטרא-סגולה (UV) בקרם הגנה מהשמש.
בתעשיית הספורט, יוצרו מחבטים קלים יותר באמצעות ננו-צינוריות פחמן כדי לשפר את הביצועים.
יישום נוסף הוא בתחום הצבאי, שם נעשה שימוש בננו-חלקיקי פיגמנט ניידים ליצירת הסוואה יעילה יותר.
ננו־חומרים יכולים לשמש גם ביישומים של ממירים קטליטיים תלת־כיווניים, בעלי יתרון של שליטה בפליטות תחמוצות חנקן (NOx), שמהן נוצרים גשם חומצי ולערפיח.
במבנה ליבה-קליפה (Core–Shell) ננו-חומרים יוצרים שכבת מעטפת כתמיכה לזרזים, כדי להגן על מתכות אצילות כמו פלדיום ורודיום.
תפקיד המעטפת הוא לשאת את רכיבי הזרז הפעילים, להפוך אותם למפוזרים יותר, להפחית את השימוש במתכות אצילות, להגביר את פעילות הזרז, ובפוטנציאל גם לשפר את יציבותו.
המטרה של כל שיטה סינתטית לייצור ננו־חומרים היא לקבל חומר בעל תכונות הנובעות מכך שממדיו האופייניים נמצאים בתחום הננומטרי (1–100 ננומטר).
בהתאם לכך, השיטה הסינתטית צריכה לאפשר שליטה בגודל בתחום זה, כך שניתן יהיה להשיג תכונה מסוימת רצויה.
לרוב נהוג לחלק את השיטות לשני סוגים עיקריים: "מלמטה למעלה" (bottom up) ו־"מלמעלה למטה" (top down).
שיטות מלמטה למעלה כוללות הרכבה של אטומים או מולקולות למערכים בעלי מבנה ננו-מטרי.
בשיטות אלו, חומרי הגלם יכולים להיות בצורה של גזים, נוזלים או מוצקים.
במקרה של מוצקים, נדרש תהליך של פירוק כלשהו לפני שילובם במבנה הננומטרי.
באופן כללי, ניתן לחלק את השיטות מלמטה למעלה לשתי קטגוריות: כאוטיות ומבוקרות.
תהליכים כאוטיים כוללים העלאת האטומים או המולקולות המרכיבים למצב כאוטי ולאחר מכן שינוי פתאומי בתנאים כך שמצב זה יהפוך לבלתי יציב.
באמצעות מניפולציה חכמה של פרמטרים שונים, נוצרים תוצרים בעיקר כתוצאה מהקינטיקה שנגרמת כתוצאה מכך.
הקריסה מהמצב הכאוטי יכולה להיות קשה או בלתי אפשרית לשליטה ולכן התפלגות הגודל והממוצע של החלקיקים נקבעת לעיתים קרובות לפי סטטיסטיקה של אוכלוסיות (ensemble statistics).
בהתאם לכך, היווצרות הננו-חלקיקים נשלטת באמצעות מניפולציה של מצבם הסופי של התוצרים.
דוגמאות לתהליכים כאוטיים כוללות אבלציה בלייזר, חוט מתפוצץ, קשת חשמלית, פירוליזה בלהבה, בעירה, ושיטות סינתזה על ידי שיקוע,
תהליכים מבוקרים כוללים אספקה מבוקרת של האטומים או המולקולות המרכיבים את הננו-חלקיקים אל האתר (או האתרים) שבהם נוצרים הננו-חלקיקים, כך שהחלקיקים יכולים לגדול לגודל מסוים בצורה נשלטת.
בדרך כלל, מצבם של האטומים או המולקולות המרכיבים אינו רחוק מהמצב הדרוש ליצירת ננו-חלקיקים.
בהתאם לכך, היווצרות הננו-חלקיקים נשלטת באמצעות שליטה במצבם של החומרים המגיבים.
דוגמאות לתהליכים מבוקרים כוללות צמיחה מוגבלת עצמית בתמיסה, שקיעה כימית מוגבלת-עצמית מאדי חומרים (CVD) , שימוש בפולסים מעוצבים של לייזר פמטו-שניות, גישות ביולוגיות של צמחים ומיקרואורגניזמים ואפיטקסיה באמצעות קרן מולקולרית.
שיטות מלמעלה למטה משתמשות ב"כוח" מסוים (למשל כוח מכני, לייזר) כדי לפרק חומרים בתפזורת לננו-חלקיקים.
שיטה נפוצה היא טחינה בכדורים (ball milling), שבה שוברים מכנית את החומר הגושי לחלקיקים ננומטריים.
בנוסף, ניתן לייצר ננו-חלקיקים גם באמצעות צריבה בלייזר, שבה נעשה שימוש בפולסי לייזר קצרים מאוד (למשל, לייזר בפמטו-שניות) כדי לאדות חלקים ממטרה מוצקה.
תופעות חדשות יכולות להתרחש בחומרים כאשר נוצרים מבנים בגדלים דומים לאחת ממספר סקלות אורך אפשריות, כגון אורך הגל של דה ברולי של אלקטרונים, או אורכי הגל האופטיים של פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה.
במקרים כאלה, השפעות מכניקת קונטים עשויות לשלוט בתכונות החומר.
דוגמה לכך היא כליאה קוונטית שבה התכונות האלקטרוניות של מוצקים משתנות באופן משמעותי כאשר גודל החלקיקים קטן מאוד.
גם התכונות האופטיות של ננו-חלקיקים, למשל פלואורסצנציה, תלויות בגודל החלקיק.
השפעה זו אינה ניכרת במעבר מממדים מקרוסוקופיים למיקרומטריים, אך הופכת בולטת מאוד כאשר מגיעים לקנה המידה הננומטרי.
בנוסף לתכונות אופטיות ואלקטרוניות, התכונות המכניות החדשות של ננו-חומרים רבים הן נושא למחקר בתחום ננו-מכניקה.
כאשר מוסיפים ננו-חלקיקים לחומר בתפזורת, הם יכולים להשפיע באופן משמעותי על התכונות המכניות שלו, כגון קשיחות או גמישות.
לדוגמה, ניתן לחזק פולימרים מסורתיים באמצעות חלקיקים ננומטריים (כגון ננו-צינוריות פחמן) ובכך ליצור חומרים חדשים שיכולים לשמש כתחליפים קלים למתכות.
חומרים מרוכבים כאלה מאפשרים הפחתת משקל לצד עלייה ביציבות ושיפור בתפקוד.
לבסוף, חומרים ננו-מובנים בעלי גודל חלקיקים קטן, כגון זאוליטים ואסבסט, משמשים כזרזים במגוון רחב של תגובות כימיות תעשייתיות חשובות.
פיתוחם של זרזים כאלה יכול להוות בסיס לתהליכים כימיים יעילים יותר וידידותיים יותר לסביבה.
התצפיות הראשונות ומדידות הגודל של ננו-חלקיקים בוצעו בעשור הראשון של המאה ה-20. זיגמונדי ערך מחקרים מפורטים של סול זהב וחומרים ננומטריים אחרים בגדלים של עד 10 ננומטר ואף פחות.
הוא פרסם ספר בשנת 1914. הוא השתמש באולטרה-מיקרוסקופ המפעיל את שיטת השדה האפל כדי לראות חלקיקים שגודלם קטן בהרבה מאורך הגל של האור.
ישנן שיטות מסורתיות שפותחו במהלך המאה ה-20 במדעי הממשק והקולואידים לצורך אפיון ננו-חומרים.
שיטות אלה נמצאות בשימוש נרחב עבור ננו-חומרים פסיביים מהדור הראשון.
שיטות אלו כוללות מספר טכניקות שונות לאפיון התפלגות גודל החלקיקים .
אפיון זה הוא חיוני כיוון שרבים מהחומרים הצפויים להיות ננומטריים למעשה מתאגדים בתמיסות.
חלק מהשיטות מבוססות על פיזור אור.
אחרות משתמשות באולטרסאונד, כגון ספקטרוסקופיית דעיכת אולטרסאונד לבדיקת ננו-דיספרסיות מרוכזות ומיקרו-אמולסיות.
ישנה גם קבוצה של שיטות מסורתיות לאפיון מטען פני השטח או פוטנציאל זטה של ננו-חלקיקים בתמיסות.
מידע זה נחוץ לייצוב נכון של המערכת, ומניעת הצטברות או הפתתה שלה.
שיטות אלו כוללות מיקרואלקטרופורזה , פיזור אור אלקטרופורטי ואלקטרואקוסטיקה .
השיטה האחרונה, לדוגמה שיטת זרם הרטט הקולואידי, מתאימה לאפיון מערכות מרוכזות.
המחקר המתמשך הראה כי התכונות המכניות יכולות להשתנות באופן משמעותי בננו-חומרים בהשוואה לחומרים בתפזורת.
לננו-חומרים יש תכונות מכניות בולטות הנובעות מנפחם, משטחם ומהשפעות קוונטיות של הננו-חלקיקים.
תופעה זו נצפית כאשר מוסיפים ננו-חלקיקים לחומר בתפזורת - הננו-חומר מחדד את הגרגרי החומר ויוצר מבנים בין-גרגריים ותוך-גרגריים אשר משפרים את גבולות הגרגרים ובהתאם גם את התכונות המכניות של החומר.
שיפור גבולות הגרגרים מחזק את החומר על ידי העלאת רמת המאמצים הנדרשת כדי לגרום לשברים בין-גרגיריים או חוצי-גרגירים.
דוגמה נפוצה לכך היא הוספת ננו-סיליקה למלט, פעולה שמשפרת את חוזק המתיחה, חוזק הלחיצה וחוזק הכיפוף של החומר באמצעות המנגנונים שהוזכרו לעיל.
הבנת תכונות אלו צפויה לשפר את השימוש בננו-חלקיקים ביישומים חדשניים בתחומים שונים כגון הנדסת משטחים, טריבולוגיה , ננו-ייצור וננו-עיבוד.
שטייניץ בשנת 1943 השתמש בטכניקת מיקרו-החדרה (micro-indentation) כדי לבדוק את הקשיות מיקרו-חלקיקים, וכיום נעשה שימוש בננו-החדרה למדידת התכונות האלסטיות של חלקיקים ברמה של כ-5 מיקרון.
פרוטוקולים אלה משמשים לעיתים קרובות לחישוב המאפיינים המכניים של ננו-חלקיקים באמצעות שיטות מיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM).
כדי למדוד את מודול האלסטיות, מתקבלים נתוני ההחדרה באמצעות עקומות כוח-העתקה של AFM, אשר מומרות לעקומות כוח-החדרה.
חוק הוק משמש לקביעת עיוות הקנטיליבר ועומק חדירת הקצה.
מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) מאפשר לנו לקבל תמונה ברזולוציה גבוהה של סוגים שונים של משטחים, בעוד שקצה הקנטילבר משמש להשגת מידע על התכונות המכניות של החומר.
בנוסף, נעשה שימוש הולך וגובר בהדמיות מחשב כדי לבדוק תיאוריות ולהשלים מחקרים ניסיוניים.
השיטה החישובית הנפוצה ביותר היא סימולציית דינמיקה מולקולרית, המשתמשת במשוואות התנועה של ניוטון עבור כדי לתאר את האטומים או המולקולות במערכת.
שיטות נוספות, כמו שיטת הגשש הישיר, משמשות לקביעת תכונות הדביקות (הצמדות) של ננו-חומרים.
גם הטכניקות הנסיוניות וגם הסימולציות משולבות עם מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) ועם טכניקות AFM כדי לספק תוצאות מדויקות ומשלימות.
תכונות מכניות של סוגי ננו-חומרים נפוצים
ננו-חומרים מכתיים גבישיים: תקלות סריקה (Dislocations) הן אחד הגורמים העיקריים המשפיעים על התכונות האלסטיות של ננו-חומרים בדומה לחומרים גבישיים בתפזורת.
למרות התפיסה המסורתית שאין תקלות סריקה בננו-חומרים, ראמוס הראה כי הקשיות של ננו-חלקיקי זהב גבוהה בהרבה מזו של הזהב בתצורתו בתפזורת, מכיוון שבחומר נוצרים פגמי ערימה (stacking faults) ותקלות סריקה המפעילים מנגנוני חיזוק שונים בחומר.
מחקרים נוספים הראו שבאמצעות שיטות של ננו-החדרה, חוזק החומר; כלומר המאמץ בלחיצה, עולה עם ירידה בגודל החלקיקים, וזאת עקב היווצרות תקלות סריקה חדשות (nucleating dislocations).
תקלות אלה נצפו באמצעות טכניקות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM), בשילוב עם ננו-החדרה.
נמצא כי חוזקם וקשיותם של ננו־חלקיקי צורן (סיליקון) גבוהים פי ארבעה מערכיהם בחומר בתפזורת.
ההתנגדות הגבוהה ללחץ נובעת הן מפגמים קוויים בתוך החלקיקים והן מתקלות סריקה שמחזקות את התכונות המכניות של הננו-חומר.
יתר על כן, הוספת ננו-חלקיקים למטריצה (לחומר הבסיס) מחזקת אותה משום שהחלקיקים המעוגנים בגרעינים מונעים את צמיחתם של גבישים גדולים יותר.
פעולה זו מחדדת את גבולות הגרגרים, ובכך משפרת את התכונות המכניות.
עם זאת, לא כל הוספה של ננו-חומרים משפרת את תכונות החומר, למשל במקרה של ננו-נחושת.
הדבר מוסבר בכך שהתכונות המכניות הפנימיות של הנחושת עצמה חלשות יותר משל חומר הבסיס שבו היא משולבת.
ננו-חלקיקים וננו-חומרים לא מתכתיים: ההתנהגות התלויה בגודל של התכונות המכניות עדיין אינה ברורה במקרה של ננו-חומרים פולימריים, אולם במחקר אחד של להואי (Lahouij) נמצא כי מודול הלחיצה של ננו-חלקיקי-פוליסטירן היה נמוך מזה של החומר בתצורתו בתפזורת.
ניתן לייחס זאת לכך שהקבוצות הפונקציונליות שעל פני החלקיקים היו קשורות למולקולות מים.
בנוסף, ננו-חומרים לא מתכתיים עלולים לגרום להיווצרות צברים בתוך המטריצה שאליה הם מתווספים, ובכך להפחית את התכונות המכניות של החומר משום שהצברים הללו עלולים לגרום לשבירה גם תחת עומסים מכניים נמוכים — לדוגמה, בעת הוספת ננו־צינורות פחמן (CNTs).
צברים כאלה מתפקדים כמישורי החלקה וגם כמישורים שבהם סדקים יכולים להתפשט בקלות.
עם זאת, רוב הננו-חומרים האורגניים גמישים, ולכן והתכונות המכניות כגון קשיות וכו' אינן דומיננטיות אצלם.
ננו-חוטים וננו-צינוריות: מודול האלסטיות של חלק מהננו-חוטים, כמו עופרת וכסף, פוחת עם עליית הקוטר.
תופעה זו מיוחסת למאמצי פני השטח, לשכבת החמצון ולחספוס פני השטח.
עם זאת, ההתנהגות האלסטיות של ננו-חוטי תחמוצת האבץ (ZnO) אינה מושפעת ממאפייני פני השטח, אך תכונות השבירה שלהם כן מושפעות.
לכן, באופן כללי, התנהגותם המכנית תלויה גם באופי החומר עצמו ובסוגי הקשרים הכימיים שבו.
הסיבה לכך שהתכונות המכניות של ננו-חומרים עדיין מהוות נושא מחקר פעיל היא שמדידת התכונות המכניות של ננו-חלקיקים בודדים היא תהליך מורכב, הכולל גורמי בקרה רבים.
עם זאת, מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) משמש באופן נרחב למדידת התכונות המכניות של ננו-חומרים.
כאשר מדברים על יישומים של חומרים, ההצמדות והחיכוך ממלאים תפקיד מרכזי בקביעת הצלחת היישום.
לכן, חשוב להבין כיצד גם גודל החומר משפיע על תכונות אלה.
שוב, AFM היא אחת השיטות הנפוצות ביותר למדידת תכונות אלו ולקביעת עוצמת ההצמדות של ננו-חלקיקים למשטחים מוצקים שונים, יחד עם שיטת הגשש הקולואידי ושיטות כימיות נוספות.
יתר על כן, הכוחות שתורמים לתכונות ההצמדות של חומרים ננומטריים כוללים בין היתר כוחות אלקטרוסטטיים, כוחות ואן דר ואלס (VdW), כוחות נימיים, כוחות ממיסים וכוחות מבניים.
נמצא כי הוספת ננו-חומרים לחומרים בתפזורת משפרת במידה ניכרת את יכולת ההצמדות שלהם על ידי חיזוק החומר באמצעות מנגנוני קשר שונים.
כאשר ממדי הננו-חומרים מתקרבים לאפס, המשמעות היא שחלק היחסי של אטומי פני השטח מתוך כלל האטומים בחלקיק גדל, ולכן תכונות פני השטח — ובהן ההצמדות והחיכוך — נעשות משמעותיות במיוחד.
בנוסף להשפעות פני השטח, תנועת הננו־חלקיקים עצמה ממלאת תפקיד בקביעת התכונות המכניות שלהם, כגון יכולת הגזירה.
ניתן לצפות בתנועת החלקיקים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM).
לדוגמה, בהתבוננות ישירה בתנועתם של ננו-חלקיקי MoS2 נצפה כי במגע דינמי הם מסוגלים לעבור גזירה באמצעות התגלגלות או החלקה.
עם זאת, צפייה בתכונות אלו היא תהליך מורכב מאוד, בשל ריבוי הגורמים המשפיעים על ההתנהגות של הננו־חלקיקים.
עיבוד כימי וסינתזה של רכיבים טכנולוגיים מתקדמים עבור המגזר הפרטי, התעשייתי והצבאי דורשים שימוש בחומרים קרמיים, פולימרים, מזכוכית קרמית וחומרים מרוכבים טהורים במיוחד.
בגופים מוצקים המתקבלים מאבקות דקות, הגדלים והצורות הלא סדירים של הננו-חלקיקים באבקה טיפוסית גורמים לעיתים למבני אריזה לא אחידים, וכתוצאה מכך לשונות בצפיפות האריזה של גוף האבקה הדחוס.
התאגדות בלתי מבוקרת של אבקות כתוצאה מכוחות המשיכה של ואן דר ואלס יכולה גם היא לגרום לחוסר אחידות במבנה המקרוסקופי.
מאמצים דיפרנציאליים (שונים ממקום למקום) המתפתחים כתוצאה מהתכווצות ייבוש לא אחידה קשורים ישירות לקצב שבו ניתן להסיר את הממס, ולכן הם תלויים במידה רבה בפיזור הנקבוביות בחומר.
מאמצים כאלה נקשרים למעבר מפלסטיות לשבירות בגופים מוצקים מאוחדים, ועלולים לגרום להתפשטות סדקים בגוף הלא־צרוב אם אינם משתחררים
בנוסף, תנודות בצפיפות האריזה של החומר הדחוס בזמן הכנתו לכבשן נוטות להתגבר במהלך תהליך הסינטור, וכתוצאה מכך נוצרת צפיפות לא הומוגנית.
נקבוביות ופגמים מבניים אחרים הקשורים לשינויים בצפיפות נמצאו כבעלי השפעה מזיקה על תהליך הסינטור משום שהם נוטים להתרחב ובכך מגבילים את הצפיפות הסופית של החומר.
מאמצים דיפרנציאליים הנוצרים כתוצאה מצפיפות לא אחידה עשויים לגרום להתפשטות סדקים פנימיים, אשר הופכים למוקדי כשל המגבילים את חוזק החומר.
לכן, נראה כי רצוי לעבד חומר באופן שיבטיח אחידות פיזית מבחינת פיזור המרכיבים והנקבוביות, במקום להשתמש בהתפלגויות גודלי חלקיקים שמטרתה למקסם את הצפיפות לפני הסינטור.
שמירה על פיזור אחיד של חלקיקים בעלי אינטראקציות חזקות בתרחיף דורשת שליטה מלאה באינטראקציות בין החלקיקים.
מספר מפזרים כגון אמוניום ציטרט (מימי) ואמידזולין או אוליל אלכוהול (לא מימי) נחשבים פתרונות מבטיחים כתוספים אפשריים לשיפור הפיזור ומניעת הצמדות.
ננו-חלקיקים וקולואידים חד-גודליים מספקים פוטנציאל זה.
אבקות מונודיספרסיות של סיליקה קולואידלית, לדוגמה, עשויות להיות מיוצבות מספיק כדי להבטיח דרגה גבוהה של סדר בגביש הקולואידי או במוצק הקולואידי הפוליקריסטלי שנוצר מהצטברות.
נראה כי מידת הסדר מוגבלת על ידי הזמן והמקום המוקצים ליצירת קורלציות ארוכות טווח.
מבנים קולואידליים פוליקריסטליים פגומים כאלה נראים כמרכיבים הבסיסיים של מדע החומרים הקולואידליים תת-מיקרומטריים, ולכן מהווים את הצעד הראשון בפיתוח הבנה מדויקת יותר של המנגנונים המעורבים בהתפתחות מיקרו-מבנית בחומרים ורכיבים בעלי ביצועים גבוהים.
הניתוח הכמותי של ננו-חומרים הראה כי ננו-חלקיקים, ננו-צינוריות, חומרים ננו-גבישיים, ננו-קומפוזיטים וגרפן הוזכרו ב-400,000, 181,000, 144,000, 140,000 ו-119,000 מאמרים המדורגים באינדקס ISI, בהתאמה, עד ספטמבר 2018. בכל הנוגע לפטנטים, ננו-חלקיקים, ננו-צינוריות, ננו-קומפוזיטים, גרפן וננו-חוטים מילאו תפקיד ב-45,600, 32,100, 12,700, 12,500 ו-11,800 פטנטים, בהתאמה.
ניטור של כ-7,000 מוצרים מסחריים מבוססי ננו הזמינים בשווקים העולמיים גילה כי תכונותיהם של כ-2,330 מוצרים הושגו או שופרו בעזרת ננו-חלקיקים.
ליפוזומים, ננו-סיבים, ננו-קולואידים ואארוג'לים נמנים גם הם עם החומרים הננומטריים הנפוצים ביותר במוצרי צריכה.
מרכז האיחוד האירופי לננו-חומרים (EUON) יצר מאגר נתונים (NanoData) המספק מידע על פטנטים, מוצרים ופרסומים מחקריים ספציפיים בתחום החומרים הננומטריים.
ארגון הבריאות העולמי (WHO) פרסם בסוף שנת 2017 הנחיות בנושא הגנה על עובדים מפני סיכונים פוטנציאליים של ננו-חומרים מיוצרים.
הארגון השתמש בגישת זהירה כאחד מעקרונות היסוד שלו.
משמעות הדבר היא שיש להפחית חשיפה גם כאשר קיימת אי ודאות לגבי ההשפעות הבריאותיות המזיקות, כאשר ישנן אינדיקציות סבירות לעשות זאת.
הדבר מודגש במחקרים מדעיים עדכניים המראים את יכולתם של ננו-חלקיקים לחצות מחסומי תאים וליצור אינטראקציות עם מבנים תאיים.
בנוסף, עקרון "ההיררכיה של אמצעי הבקרה" היה עקרון מנחה חשוב.
משמעותו היא שכאשר קיימות מספר אפשרויות של אמצעי בקרה, יש להעדיף תמיד את האמצעים שמטפלים בשורש הבעיה על פני אמצעים שמעמיסים יותר על העובדים, כגון שימוש בציוד מגן אישי (PPE).
ארגון הבריאות העולמי הזמין סקירות שיטתיות לכל הנושאים המרכזיים כדי להעריך את מצב הידע הנוכחי ולבסס את ההמלצות בהתאם להליך שנקבע במדריך של ארגון הבריאות העולמי לפיתוח הנחיות.
ההמלצות דורגו כ"חזקות" או "מותנות" בהתאם לאיכות הראיות המדעיות, לערכים ולהעדפות ולעלויות הקשורות לכל המלצה.
מכיוון שננוטכנולוגיה היא תחום שהתפתח רק לאחרונה, ההשפעות הבריאותיות והבטיחותיות של חשיפה לננו-חומרים, וכן רמות החשיפה שעשויות להיות מקובלות, הן נושאים הנמצאים עדיין במחקר מתמשך.
מבין הסיכונים האפשריים, נראה כי חשיפה בשאיפה היא המדאיגה ביותר.
מחקרים בבעלי חיים מצביעים על כך שננו-צינוריות פחמן וננו -סיבים מפחמן יכולים לגרום להשפעות ריאתיות, כגון דלקת, גרנולומות ופיברוזיס ריאתי, בעוצמה הדומה או אף גבוהה יותר מזו של חומרים ידועים כפיברוגניים כגון סיליקה, אסבסט ופחמן שחור אולטרה-דק.
חשיפה חריפה בשאיפה של בעלי חיים בריאים לננו-חומרים אנאורגניים מתכלים לא הראתה השפעות רעילות משמעותיות.
חששות נוספים כוללים מגע עם העור וחשיפה בבליעה, וכן סכנת פיצוץ של אבק .
הסרה והחלפה הן הגישות הרצויות ביותר לבקרת סיכונים .
אף שהננו-חומרים עצמם לרוב אינם ניתנים להסרה או להחלפה בחומרים קונבנציונליים, ייתכן שניתן לבחור בתכונות מסוימות של הננו-חלקיקים כגון גודל , צורה, פונקציונליזציה , מטען פני השטח מסיסות, מסיסות, צבירה ואגרגציה כדי לשפר את תכונותיהם הטוקסיקולוגיות תוך שמירה על התפקוד הרצוי שלהם.
ניתן גם לשפר את נוהלי העבודה, לדוגמה, שימוש בתרחיף או בתמיסה של ננו-חומר בממס נוזלי במקום באבקה יבשה יפחית את החשיפה לאבקה.
אמצעי בקרה הנדסיים הם שינויים פיזיים בסביבת העבודה שמבודדים את העובדים מהסיכונים, בעיקר מערכות אוורור כגון מנדפים, תאי כפפות , ארונות בטיחות ביולוגיים ומאזניים עם יניקה.
אמצעי בקרה מנהליים כוללים שינויים בהתנהגות העובדים כדי להפחית סיכונים, למשל הכשרה בשיטות עבודה בטוחות לטיפול, אחסון וסילוק ננו-חומרים, מודעות לסיכונים באמצעות סימון ואזהרות, ועידוד תרבות כללית של בטיחות.
ציוד מגן אישי הוא אמצעי שיש ללבוש על גוף העובד והוא האפשרות הפחות רצויה לבקרת סיכונים.
ציוד המגן האישי המשמש בדרך כלל לעבודה עם חומרים רגילים מתאים גם לעבודה עם ננו-חומרים, וכולל מכנסיים ארוכים, חולצות ארוכות שרוול, נעליים סגורות, כפפות מגן , משקפי מגן וחלוקי מעבדה אטומים.
במקרים מסוימים ייתכן ויש להשתמש גם במסכות נשימה .
הערכת חשיפה היא מערכת של שיטות המשמשות לניטור פליטת מזהמים ולבחינת החשיפה של עובדים אליהם.
שיטות אלה כוללות דגימה אישית, שבה מתקני הדגימה ממוקמים באזור הנשימה האישי של העובד, לעיתים קרובות מחוברים לצווארון חולצה כדי להיות קרובים ככל האפשר לאף ולפה; וכן דגימת שטח/רקע, שבה מתקני הדגימה ממוקמים במקומות סטטיים.
ההערכה צריכה להשתמש הן במוני חלקיקים , המנטרים את כמות הננו-חומרים וחלקיקי רקע אחרים בזמן אמת; והן בדגימות מבוססות מסנן, בהן ניתן להשתמש לזיהוי הננו-חומר, בדרך כלל באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים וניתוח יסודות .
נכון לשנת 2016, לא נקבעו מגבלות חשיפה תעסוקתיים כמותיים לרוב הננו-חומרים.
המכון הלאומי לבטיחות ובריאות תעסוקתית בארצות הברית קבע גבולות חשיפה מומלצים (אך לא מחייבים) עבור ננו-צינוריות פחמן, ננו-סיבי פחמן , ולטיטניום דו-חמצני דק במיוחד .
סוכנויות וארגונים ממדינות אחרות, כולל מכון התקנים הבריטי והמכון לבטיחות ובריאות תעסוקתית בגרמניה, קבעו גבולות חשיפה תעסוקתיים (OEL) עבור חלק מהננו-חומרים, וכמה חברות סיפקו ערכי OEL עבור מוצריהן.
ננוטכנולוגיה זוכה לכותרות רבות בתחום הרפואה, במיוחד בשל תרומתה לדימות ביו-רפואי.
התכונות האופטיות, המגנטיות והכימיות הייחודיות של חומרים בקנה מידה ננומטרי אפשרו את פיתוחם של גלאי דימות רב-תכליתיים, בעלי יכולת שיפור ניגודיות, מתן מידע מרחבי מדויק יותר, שליטה בפיזור הביולוגי ודימות רב-מודאלי באמצעות מכשירי סריקה שונים.
פיתוחים אלה הביאו ליתרונות משמעותיים כגון האפשרות לאיתור מדויק של מיקומם של גידולים ודלקות, הערכה מדויקת של התקדמות מחלות והתאמה אישית של טיפולים רפואיים.
ננו-חוט הוא חומר שבשניים מממדיו הוא בסדר גודל ננומטרי, ורק "הממד הארוך" שלו אינו ננומטרי.
פרופ' ארנסטו יוסלביץ וחברי קבוצת המחקר שלו במכון ויצמן למדע, גילו דרך לגדל ננו-חוטים של חומר מוליך למחצה באופן אופקי על משטח, והצליחו לראשונה לכוון אותם לגדול במבנים מסודרים באורך מילימטר – ארוכים פי 100 מננו-חוטים המתקבלים בשיטות אחרות.
מוליכים-למחצה בעלי מבנים מסודרים עומדים בבסיס מרבית הטכנולוגיות המתקדמות, ומחקר זה עשוי להוביל לפיתוח מוליכים למחצה בעלי תכונות חשמליות ואופטיות משופרות, המתאימים למגוון רחב של שימושים, כמו טרנזיסטורים, התקני LED, לייזרים, תאים פוטו-וולטאיים ונוספים.
ננו-חיישן הוא גלאי זעיר אשר משמש לחיווי מידע אודות הננו-סביבה אל העולם המקרוסקופי.
ננו-חיישנים משמשים בין היתר למטרות רפואיות ולשם בניית ננו-מכשירים אחרים, כגון ננו-רובוטים ושבבים המבוססים על מבנים ננומטריים.
כיום קיימות מספר שיטות לייצור ננו-חיישנים, ביניהן פוטוליתוגרפיה בשיטת "מעלה-מטה", הרכבה ננומטרית בשיטת "מטה-מעלה" והרכבה מולקולרית עצמית.
פוטוליתוגרפיה היא האופן שבו מיוצרים רוב המעגלים המשולבים.
בתהליך זה, מוקרן אור דרך מסיכה על מצע רגיש לאור (פוטורזיסט) ובסדרה של תהליכים כימיים יוצרים את התבנית הרצויה על החומר שמתחת למצע.
שיטה זו המכונה גם "מעלה-מטה", מאפשרת כיום בנייה בסדר גודל ננומטרי.
דרך אחרת לייצור ננו-חיישנים היא באמצעות שיטת "מטה-מעלה", אשר מערבת הרכבה של החיישנים מאבני בניין זעירות עוד יותר, כגון אטומים או מולקולות.
בשיטה זו ייעשה סידור של אבני בניין מסוימות אחת אחרי השנייה למיקומם הייעודי.
אף על פי ששיטת סידור אטומים זו זכתה להצלחה במבחני מעבדה, היא מאוד מורכבת ויקרה.
הרכבה עצמית היא הדרך השלישית והמהירה ביותר לייצור ננו-חיישנים המבוססת על היווצרות ספונטנית של ננו-מבנים ייחודיים מאבני הבניין שלהם.
בהרכבה עצמית היכולת ליצור את המבנה הסופי הרצוי טמונה במבנן ובקבוצות הפונקציונליות של המולקולות המרכיבות את המבנה, כך שהוא ייווצר באופן ספונטני.
ננו חיישנים פועלים על עקרונות פיזיקליים, כימיים וביולוגיים.
ננו חיישן פיזיקלי אשר מהווה את אחת הדוגמאות היישומיות הראשונות לננו-חיישן, נבנה על ידי חוקרים במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה ב-1999. לצורך כך הוצמד חלקיק בודד לקצה ננו-צינורית פחמן ונמדד ההבדל המתקבל בתהודה (התדירות התנודתית) של הננו-צינורית עם וללא החלקיק.
אי-ההתאמה בין שני התדרים אפשרה לחוקרים לחשב את מסת החלקיק שהוצמד.
ננו-חיישן פיזיקלי, הנמצא בשלבי פיתוח, מתריע בפני מזהמים אורגניים במים בזמן אמת.
החלק הפעיל של החיישן מורכב מרשת של ננו-חלקיקים מוליכים למחצה.
בנוכחות המזהם במים המערכת תשנה את ההתנגדות החשמלית עקב הלכידה של מולקולות המזהם ברשת.
השינוי בהתנגדות החשמלית מהווה את אות החישה למולקולות המזהם במקורות המים.
ננו-צינוריות מטיטניום: שימשו כחיישנים כימיים לריכוז מימן באטמוספירה.
חיישנים כימיים אלה מתבססים על גלאים מולקולריים שבהם יש כעין "כיס" המהווה אתר הכרה עבור הגורם הנבדק היכול להיות מולקולה או אטום.
ה"כיס" בננו חיישן מותאם באופן ספציפי וסלקטיבי למולקולה מסוימת או לאטום מסוים אותם המתכננים מעוניינים לחוש.
כאשר אותה מולקולה ספציפית או אטום ספציפי, נכלא באתר ההכרה אשר בננו-חיישן הוא משנה את התכונות האופטיות של המבנה המולקולרי השלם.
שינוי זה ניתן לניטור ומהווה את אות החישה.
ננו-חיישן כימי כגון זה הנמצא בשלבי פיתוח, מסוגל לאתר את חומר הנפץ PETN.
עד היום, תרכובת חומר נפץ זה ניתנה לגילוי רק באמצעות איסוף דגימה ובדיקתה בספקטרומטר.
הננו-חיישן יכול לאתר מולקולה יחידה של החומר PETN מתוך עשרות מיליארד מולקולות אוויר.
מנגנון פעילותו של החיישן: כאשר מולקולת ה-PETN נכנסת לננו-הצינורית של החיישן, קבוצות הניטרו האופייניות למולקולה נקשרות לפני השטח של הצינורית ומשנות את המוליכות החשמלית שלה, ושינוי זה ניתן לגילוי באמצעות מכשור אלקטרוני פשוט.
ננו-ביוחיישן המסוגל לזהות כמויות זעירות של חלבונים באמצעות אותות אלקטרוכימיים: חוקרים פתחו גלאי הבנוי מצבר של ננו-צינוריות פחמן המצופה בשכבה דקיקה של פולימר בעל התנגדות חשמלית.
הננו-ביוחיישן מזהה חלבון ברמת רגישות של פחות מפיקוגרם לליטר (10–12 גרם לליטר).
החישה מתבצעת לאחר תהליך מקדים של הטבעת המולקולות של החלבון הנבדק בתוככי הציפוי הפולימרי של הננו צינוריות.
ההטבעה יוצרת אתר הכרה בתבנית החלבון הנבדק.
בתהליך החישה מולקולת החלבון "צונחת" לתוככי תבנית המראה שלה שבפולימר היא ממלאת אותה וגורמת לננו-הצינורית לשנות באופן משמעותי את ההתנגדות, המהווה מחוון כמותי לנוכחות חלבון.
ביו ננו-חיישן המבוסס על ננו-צינורית הוכיח את יכולתו לאתר את החלבון פריטין, שהוא החלבון העיקרי בתאים לאחסון ברזל, וגם את החלבון E7 שמקורו בנגיף הפפילומה האנושי.
בניסויים נוספים עם החלבון קושר סידן קלמודולין, הראו כי החיישן מסוגל להבדיל אפילו בין הצורות השונות של החלבון.
ננו-חיישן המבוסס על שילוב של העקרונות הפיזיקליים, הכימיים והביולוגיים הוא הננו-שוער.
ננו-שוער הוא נקב זעיר ביותר, היכול להיווצר על ידי חלבוני שוער או על ידי נקב בחומר סינתטי כגון סיליקון או גרפן.
ננו-שוער המצוי בממברנה מבודדת חשמלית יכול לשמש כגלאי של מולקולות בודדות, הן כתעלה חלבונית ביולוגית בדו-שכבה ליפידית בעלת התנגדות חשמלית גבוהה, הן כשוער בממברנה מוצקה, והן כשילוב בין השניים - תעלה חלבונית בממברנה סינתטית.
עיקרון החישה מבוסס על מעקב אחר הזרם היוני העובר דרך השוער כאשר מחילים מתח חשמלי מצידי הממברנה.
כאשר הננו-שוער הוא בממדים מולקולריים, מעבר של מולקולות, כגון דנ"א, גורם להפרעות ברמת הזרם "הפתוח" ובכך מהווה סיגנל.
המעבר של מולקולת רנ"א או דנ"א חד-גדילי דרך תעלת אלפא-המוליזין ממברנלית שקוטרה ננומטר וחצי, לדוגמה, מוביל לחסימה של כ-90% מהזרם (נמדד בתמיסת אשלגן כלורי בריכוז 1M).
ריצוף מבוסס ננו-שוער הוא דוגמה לשימוש בננו חיישן זה.
ההבחנה כי מעבר גדיל דנ"א המכיל בסיסים חנקניים שונים מוביל לרמות חסימה שונות, הוליד את היפותזת הריצוף הננו-שוערי.
ב-2009 דווח בפרסום מדעי על זיהוי של נוקלאוטידים בודדים, כולל ציסטאין ממותל, בעודם עוברים דרך תעלת המוליזין.
ריצוף שכזה, אם יצליח, יוכל לשנות את פני תחום הגנומיקה, מאחר שהריצוף ייעשה פשוט ומדויק יותר, ובעל פוטנציאל לשיפורים משמעותיים מבחינת עוצמה ועלויות לעומת שיטות הריצוף כיום המשתמשות בפלואורסצנציה/לומינסנציה ומכשור אופטי כדי להבחין בסיגנל פוטוני.
פרט לריצוף דנ"א, יישומים אחרים כוללים הפרדה בין דנ"א חד-גדילי ודו-גדילי בתמיסה, וקביעת אורכם של פולימרים.
בשלב זה, ננו-שוערים תורמים להבנת הביופיזיקה של פולימרים, כמו גם לאנליזת מולקולה-בודדת של אינטראקציות דנ"א-חלבון.
תשומת לב רבה בעולם הרפואה מוקדשת לזיהוי מדויק של תאים ספציפיים בתוך הגוף לצורכי אבחון וטיפול.
לביו-ננו-חיישנים פוטנציאל גדול בתחום זה היות שיש להם את היכולת לברור בין תאים שונים ואף לזהותם בגוף באופן ספציפי.
דוגמה לכך היא זיהוי תאים סרטניים בסדרי גודל מולקולריים במטרה לשמש כאמצעי למעקב אחר התפתחותם במקומות שונים בגוף ובהמשך אף לשם שיגור תרופה לאותם האתרים.
באמצעות מדידת שינויים ברמת התא נבדקים פרמטרים שונים כמו נפח, ריכוז, כוחות גרביטציה, מהירות, כוחות מגנטיים וחשמליים, ואף לחץ וטמפרטורה.
יישומים פוטנציאליים נוספים בתחום הרפואה הם זיהוי דנ"א ספציפי במטרה לגלות פגמים גנטיים ברורים, במיוחד אצל פרטים בקבוצות סיכון, חיישנים שמסוגלים לזהות רמות גלוקוז אצל חולי סוכרת בצורה פשוטה בהרבה מהשיטות הקיימות היום.
כמו כן נמצאים בשלבי פיתוח ננו-חיישנים לזיהוי גידולים סרטניים בשלבים מוקדמים, לטיפול ספציפי בתאי סרטן, לפיזור יעיל של חמצן בדם בזמן התקף לב, לחישה של מגוון מולקולות כימיות בו זמנית, ואפילו לניטור המצב הבקטריאלי בפה.
דוגמה לפוטנציאל של ננו-חיישן בזיהוי מוקדם של גידול סרטני היא שימוש בתכונות הפלואורסצנציה של הנקודות הקוונטיות קדמיום סלנייד (CdSe).
זריחתם החזקה של הנקודות הקוונטית תאפשר לזהות גידולים ממאירים על ידי הזרקה פשוטה שלהם לגוף.
בשל רעילותו הגבוהה של קדמיום סלנייד לגוף החל החיפוש אחר ננו-חלקיק חלופי אשר יהיה פחות רעיל אך ישמר את אותה תכונת הפלואורסצנציה בעוצמה גבוהה.
הנקודה הקוונטית הכי קרובה שנמצאה היא האבץ סולפיד ZnS אשר מספק פלואורסצנציה חלשה יותר אמנם אך כמעט ואינו רעיל לגוף ובהיקשרו לתא המטרה עוצמת הזריחה שלו גדלה.
בתחום איכות הסביבה, יעילות הזיהוי של מולקולות כימיות מסוכנות באוויר או במים וזיהוי דליפה של דלקים יהיה יעיל בהרבה באמצעות ננו-חיישנים הן בשל רגישותם והן בשל גודלם המזערי המאפשר פריסה רחבה של נקודות החישה.
בתחום המזון ננו-חיישנים יוכלו לנטר את איכות המזון על ידי זיהוי מדויק של מרכיביו.
תוצר אפשרי נוסף הוא פתוח ננו חיישנים לבניית מעגלים משולבים קטנים יותר, כמו גם הטמעתם בתוצרי ננוטכנולוגיה אחרים לשימוש במגוון תחומים, ביניהם צבא, תחבורה, תקשורת, שיפור ביציבות מבנית, רובוטיקה וננורובוטיקה.
ננו-חיישנים אף יוכלו אולי, לשמש כמוניטורים מדויקים ביותר במערכות חכמות בהם יש צורך בהיזון חוזר כאשר גודל ומשקל החיישנים מוגבלים, כגון מכשור לוויינים ואווירונאוטיקה.
ננו-טוקסיקולוגיה הוא ענף בטוקסיקולוגיה העוסק בחקר הרעילות של ננו-חומרים (ננו-חלקיקים).
עם התפתחות הננוטכנולוגיה נתגלו ופותחו חומרי ננו רבים, תוך כך נוצר הצורך להבין את פוטנציאל הנזק הסביבתי של חומרים אלו.
יישום ננו-חומרים במחקר ובתעשייה מחייב הבנה עמוקה של השפעת חומרים אלו על בריאות בני האדם ועל סביבת החיים.
הידע הנצבר בתחום זה מאפשר לקבוע כללי בטיחות ביישום ושימוש בננו-חומרים.
הננו-טוקסיקולוגיה הובילה למהפכה בתחום מחקר רעילות חומרים.
ניתן לחלק את הננו-חלקיקים למספר קבוצות: צינוריות פחמן (carbon nanotubes), נגזרות של חלקיקי בערה כמו פיח (דיזל), חלקיקים הנוצרים מהתפרצויות געשיות ועוד.
ננו-חלקיקים הם חומרים פעילים מאוד ומסוגלים להגיב עם סביבתם גם כאשר הם מיוצרים מחומרים אינרטיים (חומרים אינרטיים הם חומרים שאינם מגיבים עם סביבתם), כגון זהב.
רעילות ננו-חלקיקים, שקוטרם קטן מ-100 ננומטר, היא גבוהה יותר מחלקיקים גדולים יותר.
מאחר שלננו-חלקיקים שטח פנים גדול יחסית לנפחם, כמות קטנה של חלקיקים ננומטריים הנספגת בגוף באה במגע עם מספר מולקולות גדול יותר בסביבתה, בהשוואה לחלקיקים גדולים יותר בעלי אותה מסה.
עקב כך חומרים אלו יכולים להוביל להגברת התגובה הדלקתית, למשל ברקמת הריאות.
במחקרים שנעשו בעבר במודל של עכברים, נמצא כי חלקיקי דיזל פגעו במערכת הלב..
ננו-חלקיקים יכולים להעתיק את מיקומם ממקום הימצאותם לאתרים מרוחקים, כמו למשל, הדם והמח.
בשל עובדה זאת חל שינוי באופן ההתייחסות להשפעתם של ננו-חלקיקים על רקמות הגוף.
לכן, יש צורך לבחון את השפעתם באזורים נוספים בגוף כגון מח, דם, כבד, עור ומעי בנוסף לריאות.
הננוטכנולוגיה סיפקה את האפשרות לספק תרופות לתאים ספציפיים באמצעות ננו-חלקיקים.
שימוש זה במערכות מתן תרופות הוצע לראשונה על ידי גרגורי גרגוריאדיס בשנת 1974, אשר תיאר ליפוזומים כמערכת המתאימה למתן תרופות לכימותרפיה.
צריכת התרופות הכוללת ותופעות הלוואי עשויות להיות מופחתות באופן משמעותי על ידי חדרת התרופה הפעילה באזור החולה בלבד וללא צורך במינון גבוה מהנדרש.
מתן תרופות ממוקד נועד להפחית את תופעות הלוואי של תרופות, ובמקביל, לירידה בהוצאות הצריכה והטיפול.
בנוסף, אספקת תרופות ממוקדת מפחיתה את תופעות הלוואי של תרופות גולמיות או טבעיות, על ידי מזעור חשיפה לא רצויה לתאים בריאים.
מכשירים אלה מהירים ורגישים יותרבהשוואה לשיגורן תרופות קלאסי.
היעילות של אספקת תרופות באמצעות ננו-רפואה מבוססת במידה רבה על: א) אנקפסולציה יעילה של התרופות, ב) אספקה מוצלחת של התרופה לאזור היעד בגוף המטופל, ג) שחרור מוצלח של התרופה במקום היעד.
מספר תרופות ננו-משלוח היו בשוק עד 2019.
ניתן לעצב מערכות אספקת תרופות, ננו-חלקיקים מבוססי שומנים או פולימרים, על מנת לשפר את הפרמקוקינטיקה וההפצה הביולוגית של התרופה.
עם זאת, הפרמקוקינטיקה והפרמקודינמיקה של ננו-רפואה משתנות מאוד בקרב חולים שונים.
לננו-חלקיקים יש תכונות מועילות שניתן להשתמש בהן כדי לשפר את אספקת התרופות על מנת להימנע ממנגנוני ההגנה של הגוף.
קיימים מנגנוני העברת תרופות מורכבים הכוללים את היכולת להעביר תרופות דרך קרום התא ואל הציטופלזמה של התא.
המנגנון של תגובה מופעלת היא אחת הדרכים לשימוש יעיל יותר במולקולות התרופה.
בדרך זו, תרופות ממוקמות בגוף ומופעלות רק כאשר נתקלים באות מסוים.
תרופה עם מסיסות ירודה תוחלף במערכת אספקת תרופה שבה קיימות סביבות הידרופיליות והידרופוביות כאחד, מה שמשפר את המסיסות.
מערכות אספקת תרופות עשויות גם להיות מסוגלות למנוע נזק לרקמות באמצעות שחרור תרופות מוסדר; להפחית את שיעורי פינוי התרופה; או להוריד את נפח ההפצה ולהפחית את ההשפעה על רקמה שאינה מטרה.
עם זאת, ההפצה הביולוגית של ננו-חלקיקים אלו עדיין אינה מושלמת בשל התגובות של המארח המורכב לחומרים בגודל ננו ומיקרו והקושי להתמקד באיברים ספציפיים בגוף.
עם זאת, עבודה רבה עדיין נמשכת כדי לייעל ולהבין טוב יותר את הפוטנציאל והמגבלות של מערכות ננו-חלקיקים.
בעוד שקידום המחקר מוכיח שניתן להגביר את המיקוד וההפצה על ידי ננו-חלקיקים, הסכנות של ננו-רעילות הופכות לשלב הבא החשוב בהבנה נוספת של השימושים הרפואיים שלהם.
הרעילות של ננו-חלקיקים משתנה, בהתאם לגודל, צורה וחומר.
גורמים אלו משפיעים גם על ההצטברות והנזק לאיברים שעלולים להתרחש.
ננו-חלקיקים עשויים להיות עמידים לאורך זמן, אבל זה גורם להם להיכלא בתוך איברים, במיוחד הכבד והטחול, מכיוון שהם לא ניתנים לפירוק או הפרשה.
הצטברות זו של חומר שאינו מתכלה נצפתה כגורם לנזק לאיברים ולדלקת בעכברים.
אספקת ננו-חלקיקים מגנטיים לגידול באמצעות שדות מגנטיים נייחים לא אחידים עלולה להוביל לצמיחה מוגברת של הגידול.
על מנת להימנע מכך, יש להשתמש בשדות אלקטרומגנטיים מת
גודלם המזערי של הננו-חלקיקים מאפשר להם לחדור בקלות רבה יותר לגוף האדם מאשר חלקיקים גדולים יותר.
אולם, השאלה העיקרית העומדת בעינה היא כיצד מתנהגים חלקיקים אלו בתוך הגוף התנהגות החלקיקים תלויה בגודל, בצורה ובשטח הפנים שלהם.
בשל גודלם המזערי שטח המגע עם הרקמה הסובבת גדל ובעקבות זאת גדלה פעילותם.
כמות רבה של חלקיקים יכולה להוביל לעומס על התאים הבולעניים בגוף, המאקרופאגים, שתפקידם להרוס גופים זרים.
כתוצאה מכך נגרמת תגובת דחק המובילה להתפתחות דלקתית ולהחלשת מערכת החיסון הפועלת כנגד גורמי מחלה אחרים.
ננו-חלקיקים אשר אינם מתפרקים או שקצב התפרקותם איטי, יכולים להצטבר באיברי הגוף.
בנוסף לכך, הם בעלי פוטנציאל להפרעה לתהליכים ביולוגים בתוך הגוף.
שטח הפנים הגדול של הננו-חלקיקים, בחשיפתם לרקמות ונוזלי הגוף, גורם לספיחה מידית של מקרומולקולות בהם הם נתקלים ובכך משפיעים על מנגנוני ויסות של אנזימים וחלבונים אחרים.
ננו-חלקיקים מסוגלים לחצות ממברנות ביולוגיות, רקמות ואיברים, בעוד שחלקיקים גדולים יותר אינם מסוגלים לעשות זאות.
ננו-חלקיקים יכולים לחדור לזרם הדם על ידי שאיפה או בליעה, לחדור את מחסום הדם-מח (BBB-blood brain barrier) ולהצטבר ברקמותיו.
ישנם מספר ננו-חומרים שיכולים לחדור דרך העור.
עור פגוע אינו מחסום יעיל לננו-חלקיקים לכן מקרים של אקנה, אקזמה, פצעי גילוח או כוויות שמש קשות עלולים להאיץ את ספיגת הננו-חלקיקים דרך העור.
ננו-חלקיקים בזרם הדם יכולים להגיע לכל חלקי הגוף כולל המח, הלב, הכבד, הכליות, הטחול, מח העצם, ומערכת העצבים.
ניסויים ברקמות אנושיות ותרביות תאים הצביעו על כך שננו-חלקיקים הם רעילים כתוצאה מהגברת התגובה המחמצנת (צורות מחוזרות של חמצן היכולות לגרום נזק לתאים), ייצור ציטוקינים דלקתיים ומוות של תאים.
בניגוד לחלקיקים גדולים יותר, ננו-חלקיקים יכולים לחדורגם לאברונים תוך-תאיים, כגון, מיטוכונדריה וגרעין התא.
מחקרים הציגו את הפוטנציאל לגרימת מוטציות לדנ"א ולגרימת נזק למבנה המיטוכונדריה וכתוצאה מכך, לגרום לוות התא.
תשומת לב מועטה הופנתה כלפי הפוטנציאל האמונוגני של הננו-חלקיק.
חלקיקי הננו יכולים להפעיל את מערכת החיסון ולגרום לתגובה דלקתית, אלרגיה, או אפילו להשפיע על תאי מערכת החיסון בצורה מזיקה או מועילה, כגון, דיכוי מערכת החיסון במחלות אוטואימוניות ושיפור התגובה החיסונית בחיסונים.
עדיין נדרשים מחקרים נוספים בתחום.
בהיעדר תקנים קונבנציונליים לננו-חלקיקים, ישנם מוצרים רבים שעלולים להוות סכנה לבני אדם או לסביבה.
בדיקות שנערכו בשנת 2004 על ידי אווה אוברדורסטר' חוקרת בשטח הרעילות הסביבתית, בשיתוף עם אוניברסיטה Southern Methodis בטקסס, נמצא כי דגים אשר נחשפו לפולרנים למשך 48 שעות במינון נמוך של 0.5 חלקים למיליון סבלו מנזק מוחי נרחב.
נמצא שינוי בשני סמנים גנטיים (גן או מקטע דנ"א שמיקומו ידוע בכרומוזום וניתן לעקוב אחר הורשתו) בכבד, דבר המעיד על פגיעה פיזיולוגית כללית.
מחקר שנערך במקביל הראה כי שימוש בפולרנים גרם להרג פרעושי מים אשר מהווים חוליה חשובה בשרשרת המזון הימית.
גודלם הזעיר של ננו-חלקיקים מאפשר להם לחדור בקלות יתרה לתוך רקמות חיות, יותר מאשר רעלנים הידועים כיום משום שהממברנות הביולוגיות אינן סלקטיביות להן.
ננו-חלקיקים יכולים לחדור לגוף על ידי שאיפה, בליעה, ספיגה דרך העור והזרקה.
בנוסף, חלקיקים אלה עלולים בכוונה או בטעות להשתחרר מחומרים המושתלים ברקמה חיה.
הדאגה לבטיחות האדם מפני ננו-חלקיקים גוברת ככל שהשימוש בטכנולוגיה זאת עולה ברחבי העולם.
בשל חששות אלה נערך מחקר במכון קרולינסקה השוודי, בו הוכנסו לתאי אפיתל של ריאת אדם מגוון של ננו-חלקיקים.
תוצאות המחקר אשר פורסמו בשנת 2008 הראו כי חלקיקי תחמוצת ברזל גרמו נזק קטן לדנ"א לעומת חלקיקי תחמוצת האבץ, אשר הראו השפעה חמורה יותר.
חלקיקי ננו העשויים מטיטניום די אוקסיד גרמו נזק לדנ"א בעוד שצינורות פחמן גרמו נזק ברמות נמוכות יותר.
החומר שזוהה על ידי החוקרים כרעלן המסוכן ביותר מבחינה בריאותית היא תחמוצת הנחושת.
גודל חלקיק הוא פקטור חשוב בקביעת הפוטנציאל של חומר להיות רעיל.
מלבד גודל החלקיקים, קיימות גם תכונות נוספות של ננו-חלקיקים המשפיעות על רמת רעילות החומר: ההרכב הכימי, צורת החלקיק, מבנה פני השטח של החלקיק, מטען השטח, נטיית החומר ליצור צברים ומשקעים, המקשה לתהליך פינויו מן הגוף, רמת המסיסות, נוכחות והעדר קבוצות פונקציונליות של כימיקלים נוספים הנכללים בהרכב החלקיק.
בשל המגוון הרחב של תכונות החומר המשפיעות על רמת רעילותו, קשה להכליל את שלל חומרים אלה תחת קטגוריה אחת של סיכון בריאותי מפני חשיפה לננו-חלקיקים.
כל ננו-חלקיק חדש המיוצר לצורך מטרה מוגדרת חייב להיבדק באופן פרטני לצורך קביעת רמת רעילותו.
על מנת לבחון את הסיכון בשימוש בננו-חלקיק חדש, יש צורך בתקנון כללי אשר ישמש מעבדות החוקרות את פעילותם של ננו-חלקיקים.
התקנון יכלול את התכונות שיש לבדוק לגבי כל ננו-חלקיק חדש המיוצר ובכך לקבוע את רמת רעילותו.
בספרד הראה שהחדרת ננו-חלקיקים צריכה להיבדק במגוון שורות של תרביות תאים.
תאים שונים מרקמות שונות עלולים להגיב בצורה אחרת לרמת רעילות ויצירת משקעים של אותו ננו-חלקיק.
הנוזל הביולוגי כמו הציטופלסמה של התא יכול להשפיע על נטיית הננו-חלקיק ליצור משקעים כתלות בסוג והרכב התא.
בריגיט קרוליין "ננה" פון שלברוג היא דוגמנית לשעבר, פסיכולוגית ואשת עסקים אמריקאית ילידת מקסיקו, אמה של השחקנית זוכת פרס גלובוס הזהב, אומה תורמן.
אמה הייתה דוגמנית בשנות ה-30, ששימשה כמודל עירום לפסל שניצב על הנמל בכפר הדייגים "סמייגהוק" (Smygehuk) שבדרום שוודיה.
הוריה נישאו בכלא ואמה מימשה את זכותה כאזרחית שוודיה על מנת להוציאו משם, והזוג נמלט למקסיקו.
שם נולדו ננה ואחיה ביורן.
בנוסף יש לה אחות למחצה מנישואיו הקודמים של אביה שהיא סבתו מצד אביו של הכדורגלן מקס פון שלברוג.
ב-1955 בגיל 14 התגלתה ננה פון שלברוג על ידי צלם המגזין ווג נורמן פרקינסון בעת שהייתה בחופשה בסטוקהולם, וב-1957 עברה להתגורר בלונדון על מנת לפתח את קריירת הדוגמנות שלה.
היא זכתה להצלחה רבה, ואף הוזמנה על ידי איילין פורד, הבעלים והמייסדת של סוכנות הדוגמנות "Ford Models" היוקרתית לעבור לניו יורק ולהמשיך שם את עיסוקה בתחום האופנה.
במרץ 1958, בגיל 17, היא עברה לניו יורק במהלך סופת השלגים שהתחוללה בעיר.
היא נחשבה שם כאחת מדוגמניות העל המובילות בשנות ה-50 וה-60, והופיעה בין היתר במגזינים הנחשבים "הרפרס בזאר" ו"ווג" האמריקאי.
ב-1967 שחקה פון שלברוג בתפקיד קטן בסרט "צ'או מנהטן" לצד אידי סדג'וויק, הסרט צולם במשך ארבע שנים שבמהלכן נעשו שינויים דרסטיים בעריכה שבמהלכן הוצאו רוב הסצנות וסצנות אלו הופיעו אך ורק בגרסת ה-DVD של הסרט.
ב-1987 ייסדה ביחד עם בעלה, עם השחקן ריצ'רד גיר ועם המלחין פיליפ גלאס את מוזיאון "בית טיבט" בניו יורק המציג את התרבות וההיסטוריה של טיבט ואת המסורת הרוחנית שלה, ובשנים 1989–2002 שימשה כמנהלת המוזיאון.
לאחר מכן הועבר התפקיד לבעלה.
ב-2001 היא מונתה למנכ"לית של "Menla Mountain Retreat" מרכז ספא טיבטי בהרי קטסקיל.
ב-1964 נישאה פון שלברוג לסופר ולמשורר טימותי לירי, חתונתם תועדה בסרטון דוקומנטרי קצר, הנישואים החזיקו מעמד שנה אחת, שאחריה הם התגרשו.
ב-1967 היא נישאה לרוברט תורמן, נזיר בודהיסטי וסטודנט לבודהיזם אינדו-טיבטי.
לזוג נולדו ארבעה ילדים, שלושה בנים ובת, השחקנית אומה תורמן.
כל ארבעת ילדיהם נקראו על שמם של אלים הינדים.
גנדן הוא מדריך יוגה ידוע בהוליווד.
בשנים 1978-1973 התגורר הזוג במסצ'וסטס.
במהלכן השלימה ננה תואר שני בחינוך ודוקטורט בפסיכיאטריה ובייעוץ פסיכולוגי.
לפון שלברוג בת חורגת מנישואיו הראשונים של רוברט ליורשת חברת נפט, פרופסור מרצה באוניברסיטת קולומביה.
פון שלברוג פעילה למען טיבט וכנגד שליטת הרפובליקה העממית של סין במדינה.
ננו-חלקיקים מגנטיים הם חלקיקים בגודל ננומטרי (לרוב בין 1 ננומטר ל-100 ננומטר) העשויים מחומרים בעלי תכונות מגנטיות, כך שהם מושפעים משדה מגנטי חיצוני המופעל עליהם.
היתרון בחלקיקים מגנטיים בגודל זה נובע מכך שככל שמקטינים את גודל החלקיק המגנטי הוא רוכש מבנה פשוט יותר של התחום המגנטי בו ישנה מגנטיזציה אחידה.
בכך, הננו-חלקיק מגדיל את היכולת להיות מכוון לפי השדה המגנטי המושרה עליו, בשונה מהחומר בממדו הגדול בו יש צבר גדול של תחומים מגנטיים.
תכונה נוספת הקיימת בננו-חלקיקים מגנטיים המקנה להם יתרון היא פאראמגנטיות על.
היכולת לשלוט במהלך הסינתזה של הננו-חלקיקים חשובה כדי להתאים את גודלם, הרכבם ופעילות פני שטחם.
תכונות אלה יקנו לחלקיקים את יכולת המגנטיזציה ואת האפשרות לאבד אותה לאחר הסרת השדה החיצוני בהתאם לצורך לו הם נועדו.
כמו כן, מאחר שלננו-חלקיקים מתכתיים ישנה אנרגיית פני שטח גבוהה, יש צורך בסנתוז של שכבת הגנה שתאפשר פסיבציה של פני השטח.
הננו-חלקיקים המגנטיים השכיחים ביותר כיום מורכבים בעיקר מברזל (Fe), זאת בזכות יכולת המגנטיזציה הגבוהה של מתכת זו והשימוש הנרחב בננו-חלקיקים אלה בתחומים רבים בתעשייה וברפואה.
ננו-חלקיקים מגנטיים מתכתיים מקובלט זמינים כבר מזה 50 שנה.
הם יוצרו בשיטת פירוק תרמי כדי להגיע לרמה מבוקרת של גודל החלקיקים וטווח גדלים מצומצם.
לעומת זאת, כ-30 שנים אחרי, לקראת 1980, הוצעה לראשונה האפשרות להשתמש בננו-חלקיקים מגנטיים לצורך הכוונת תרופות לתאים.
טווח הגדלים של ננו-חלקיקים מגנטיים יכול לנוע בין ננומטרים בודדים ועד לעשרות ננומטרים, כך שהם יכולים להיות בגודל של חלבון או אף גן ולהשפיע על פעילותם מקרוב.
המאפיינים המגנטיים של ננו-חלקיקים תלויים בעיקר בגודלם ובצורתם בנוסף לתכונות המגנטיות שלהם כמו מומנט מגנטי וגביש מגנטי אנאיזוטרופי – magnetocrystalline anisotropy שהמגנוט שלהם מועדף בכיוון מסוים.
כיום יש מגוון רחב של ננו-חלקיקים מגנטיים המסונתזים במספר שיטות מקובלות.
התכונות הפיזיקליות המיוחדות של הננו-חלקיקים המגנטיים מאפשרות להם להיות בשימוש נרחב בתחומים שונים כגון אחסון מידע, טיפול סרטני, הדמיות רפואיות, טיהור מים וכדומה.
ישנן שיטות סינתזה רבות להכנת ננו-חלקיקים מגנטיים, חלקן פשוטות ובעלות שלב אחד וחלקן ארוכות ומורכבות יותר.
מוצגות להלן מספר שיטות מקובלות להכנת החלקיקים:
זוהי אחת השיטות הישנות יותר ליצירת ננו-חלקיקים בעלי תכונות מגנטיות בגודל של עד 5 ננומטר וללא מכשור מיוחד.
השיטה מתבססת על שליטה ברמת החומציות (pH) של תמיסת יוני המתכת בה משתמשים להכנת החלקיקים.
באופן זה נוצרים חלקיקים של תחמוצת המתכת בגדלים שיכולים להגיע ל-5 ננומטר.
שיטה זו פשוטה ואינה דורשת מכשור מיוחד.
דרך נוספת ליצירת הננו-חלקיקים בשיקוע היא על ידי הוספת בסיס לתמיסת מלח של יוני המתכת על פי התגובה הבאה (עבור יוני ברזל):
שליטה בגודל ובצורת החלקיקים תלויה בחומרי המוצא, ברמת החומציות, בטמפרטורה, ביחסי היונים ובחוזקם.
החסרונות בשיטה זו הם שמתקבל טווח גדלים רחב של החלקיקים, המורפולוגיה שלהם אינה אחידה וישנה תלות ב-pH כדי לשלוט בגודל החלקיקים המתקבלים.
בנוסף, קשה לצפות את הננו-חלקיקים לאחר הסינתזה בשכבה נוספת עקב היווצרות צברים שלהם.
יצירת מיצלה הפוכה מתבססת על ממס לא פולרי (שאינו מימי), כך שהראש ההידרופילי של המולקולה פונה כלפי ליבת המיצלה והקצוות ההידרופובים פונים כלפי חוץ.
במצב זה המרכיבים האי-אורגניים (לדוגמה, ברזל כלורידי) של התגובה ימצאו במרכז המיצלה ושם ייווצרו הננו-חלקיקים.
שיטה זו מאפשרת שליטה טובה על גודל החלקיקים הנוצרים בתוך המיצלה, כך שמתקבלת אחידות בגודלם.
כמו כן, ניתן להוסיף שכבת ציפוי מגנה לננו-חלקיקים אלה במהלך הסינתזה.
החיסרון בשיטה הוא שטווח הגדלים של החלקיקים מוגבל לגודל המיצלה ושלא ניתן להוסיף שכבה אורגנית על גבי החלקיקים מאחר שהחומר האורגני יישאר בפאזה של הממס האורגני מבחוץ.
בשיטה זו נוצרו ננו-חלקיקים מגנטיים מקובלט.
סינתזה של הננו-חלקיקים בעקבות התפרקות תרכובת מתכת נדיפה המחוממת בגז אינרטי (אדיש, שאינו משתתף בתגובה).
שיטה זו מאפשרת יצירת ננו-חלקיקים מגנטיים באיכות גבוהה ובכמות גדולה, אך דורשת מכשור מתאים ולעיתים שימוש בתרכובות רעילות מהם מייצרים את החלקיקים.
בשיטה זו ייצרו ננו-חלקיקים מגנטיים מתכתיים מברזל.
הם השתמשו ב כקודמן כך שהוא עבר פירוק בכבשן מחומם ולאחר מכן עיבוי לקבלת הננו-חלקיקים על גבי משטח מקורר.
הננו-חלקיקים שהתקבלו היו בטווח גדלים שבין 5 ל-13 ננומטר.
ניתן לעשות חמצון נוסף לננו-חלקיקים כפי שבוצע במחקרים אחרים לקבלת ננו-חלקיקים מגנטיים בטווח גדלים של 3–20 ננומטר ו-4–16 ננומטר.
כאשר תחמוצת מלח מתכתית מחוממת לטמפרטורה מסוימת, היא מתפרקת לננו-חלקיקים של תחמוצת המתכת על פי התגובה הבאה (עבור ברזל):
ניתן לעשות חיזור של אותם ננו-חלקיקים מתחמוצת הברזל לננו-חלקיקים של המתכת עצמה על ידי חימום בטמפרטורה מתאימה ותחת גז מחזר על פי התגובות הבאות:
שיטה זו שכיחה בעיקר בתעשייה.
סינתזה באמצעות פירוליזה של תרסיס להבה מהווה את אחת השיטות היותר מבטיחות כיום ביצירת ננו-חלקיקים מגנטיים בזכות איכות החלקיקים וטווח גודלם המצומצם.
שיטה זו מאפשרת הכנת ננו-חלקיקים מגנטיים שקשה או לא ניתן להכין בשיטות אחרות.
מהלך הסינתזה כולל הזרקת חומר המוצא כגז או כנוזל וחימומו לטמפרטורה גבוהה הנעה בין 300 ל-500 מעלות צלזיוס, ללא נוכחות חמצן (או כל הלוגן אחר).
תהליך זה הוא בלתי הפיך.
במהלך התהליך, נוצרים מונומרים של הננו-חלקיקים המתנגשים זה בזה ליצירת אגרגטים לאורך הלהבה כמתואר באיור משמאל.
הפרמטרים החשובים בסינתזה הם ריכוז חומר המוצא, זמן השהייה בלהבה והטמפרטורה.
תרסיס להבת הפירוליזה מוקף בצינור עם חורים ומוכנס למתקן עם אטמוספירה אינרטית.
שליטה בקצב זרימת הגז מאפשרת תנאים מחזרים.
תהליך זה מאפשר סינתזה של ננו-חלקיקים מגנטיים בשלב אחד.
באיור מימין מופיעים תנאי סינתזה שונים והשפעתם על סוגי הננו-חלקיקים המתקבלים:
ישנם שלושה סוגי ננו-חלקיקים מגנטיים שמיוצרים כיום:
ננו-חלקיקים אלה עשויים מתחמוצת המתכת והם הננו-חלקיקים המגנטיים הנחקרים ביותר כיום.
כאשר ננו-חלקיקים אלה קטנים מ-128 ננומטר הם בעלי פאראמגנטיות על, דבר המונע מהם להתאגד מאחר שהם מתמגנטים רק כאשר מושרה עליהם שדה מגנטי חיצוני.
לאחר כיבוי השדה החיצוני, הם מאבדים את המגנטיות.
ניתן להגביר את היציבות של ננו-חלקיקים אלה בתמיסות באמצעות התאמת פני שטחם על ידי חומרים פעילי שטח, תרכובות סיליקון וחומצה זרחתית.
דוגמאות לננו-חלקיקים נפוצים מסוג זה: , .
ננו-חלקיקים מגנטיים ממתכת בלבד הם הפחות מועדפים עקב חסרונותיהם הרבים.
ננו-חלקיקים אלה פעילים מאוד ונוטים להגיב באופן ספונטני עם אוויר ומים, כמו כן הם מגיבים עם תחמוצות שונות.
תכונה זו מקשה על האחסון, הטיפול והאחזקה של החלקיקים.
ננו-חלקיקים אלה בעלי ליבה מתכתית וקליפת הגנה המאפשרת פסיבציה של פני השטח של החלקיק.
דוגמה לננו-חלקיקים עם ליבת קובלט ומעטפת של גרפן מובאת בתמונה.
היתרונות בהשוואה לסוגי הננו-חלקיקים המגנטים האחרים הם במגנטיזציה הגבוהה שלהם, ביציבות גבוהה בתמיסות שונות (חומציות, בסיסיות ואורגניות) ובכימיה של מעטפת הגרפן שמוכרת כבר.
מחקרים אחרים עשו שימוש בזהב בתור קליפה לננו-חלקיקים.
במגוון רחב של תחומים משתמשים בננו-חלקיקים מגנטיים, להלן מספר דוגמאות לכך:
ננו-חלקיקים מגנטיים יכולים לשמש בדימות תהודה מגנטית (MRI) לאבחון רפואי.
תאים המסומנים בננו-חלקיקים מגנטיים הם בעלי זמן רלקסציה קצר יותר מאשר תאים ללא החלקיקים, דבר המקנה ניגודיות טובה יותר בהדמיית MRI.
בנוסף, ניתן לכוון את הננו-חלקיקים לתאי מטרה ספציפיים בגוף ואף לצמד להם תרופות שיעזרו בטיפול במידת הצורך.
באופן זה, הטיפול הוא נקודתי וספציפי לתאי המטרה ולכן יעיל יותר מהטיפול התרופתי הניתן כיום.
במחקר מסוים ייצרו ננו-חלקיקים עם ליבה מתכתית מגנטית ששימשו לטיפול סרטני מוכוון על ידי העברת תרופה לתאים הסרטניים.
בנוסף, אותם חלקיקים עזרו באיתור המיקום המדויק של התאים הסרטניים באמצעות דימות MRI כך שניתן לעקוב בזמן אמת אחר הטיפול.
בדימות פלואורסצנטי לעומת דימות באמצעות MRI, נהוג להצמיד למעטפת הננו-חלקיקים קבוצות פונקציונליות בעלות יכולת פלואורסצנציה.
למרות ששיטה זו שכיחה, הצימוד הפלואורסצנטי למעטפת משפיע על מסיסות החלקיקים ומוריד את מספר האתרים הפנויים לקשירת ליגדנים שהיו יכולים לעזור בהכוונה של אותם ננו-חלקיקים לאתרי המטרה.
כמו כן ישנה אפשרות שהחומר המתכתי של הננו-חלקיק יגרום לדעיכת הפליטה הפלואורסצנטית במנגנון דיכוי פלואורסצנטי.