ندا اظهری، مترجم: فناوری نانو با توجه به قابلیت‌هایی که تقریبا در تمام حوزه‌ها دارد، از ظرفیت بالایی برای استفاده در بخش‌های مختلف جامعه امروز و برآوردن نیازها برخوردار است. با توجه به ورود فناوری‌های نوین به عرصه تولید، تامین نیازها ازجمله اولویت‌های جوامع محسوب می‌شود و توجه بسیاری از صنایع را به خود جلب کرده است. آمارها از بازار جهانی فناوری نانو حکایت از رشد این بازار دارد، به‌طوری که پیش‌بینی می‌شود این بازار از 5.2 میلیارد دلار در سال 2021 به 23.6 میلیارد دلار تا سال 2026 رشد داشته باشد. نرخ ترکیب رشد سالانه این فناوری بین بازه زمانی 2021 تا 2026 حدود 35.5 درصد ذکر شده است. در این میان، بازار نانوفناوری در آمریکای شمالی از 1.6 میلیارد دلار در سال جاری به 7.2 میلیارد دلار تا سال 2026 رشد داشته که در این بازه رشدی 34.5 درصدی را شامل می‌شود. علاوه‌بر این، بازار فناوری نانو برای منطقه آسیا – اقیانوسیه در سال 2021 حدود 1.2 میلیارد دلار گزارش شده که در سال 2026 به 6 میلیارد دلار خواهد رسید که رشد37.6 درصدی را در بر می‌گیرد. در ادامه به 10 فناوری نانویی توسعه‌یافته توسط دانشگاه‌ها پرداخته‌ایم که در سالی که گذشت توسط جامعه پژوهشی و صنعتی مورد بررسی قرار گرفته است.

حامل‌های نانویی برای تزریق دارو

هدفمند کردن تزریق دارو در عرصه پزشکی، انقلابی را در درمان بیماری‌ها به وجود می‌آورد که طی آن، محققان دز متمرکزی از دارو را به‌طور مستقیم به محل بیماری منتقل می‌کنند که این کار بیش از هر چیز، از بروز عوارض جانبی در بافت سالم جلوگیری می‌کند. با وجود این، به‌رغم این فناوری، حامل‌های موثر و پربازده با قابلیت بهبود ثبات و گزینشی شدن داروها در بدن و نیز کاهش واکنش‌های ناخواسته سیستم ایمنی، نادر بوده و درنتیجه انتقال موثر ترکیبات درمانی را محدود می‌کنند. گروهی از دانشمندان دانشگاه نیویورک به‌منظور رفع این چالش، نوعی پلتفرم نانوحامل سفارشی با قابلیت طراحی مبتنی‌بر ساختار و بهینه‌سازی سیستماتیک توسعه داده‌اند. این فناوری، فرمول‌های شیمیایی متعددی از نانوذرات زیست‌سازگار متشکل از پلی‌اتیلن گلیکول، اسیدهای آمینه و ترکیبات طبیعی را ارائه می‌کند که امکان تحویل موثر داروهای درمانی را برای بیماری‌هایی چون بیماری‌های عفونی و خودایمنی و نیز انواع سرطان فراهم می‌کند. این گروه تحقیقاتی مایل است با شرکای صنعتی به‌منظور توسعه این فناوری مذاکره و مشارکت کند.

به‌دنبال الیاف کربنی برتر در طبیعت

ویژگی‌های سبک، بادوام و زیبایی‌شناختی الیاف کربنی باعث پیشرفت صنعتی می‌شود که در بسیاری از حوزه‌ها مانند هوافضا، خودروهای اجرایی و تجهیزات ورزشی کاربرد دارد و برای فیلترکردن آب نیز استفاده می‌شود. با وجود این، روش‌های نانوفناوری کنونی برای تولید الیاف کربنی مانند منابعی است که از پلی‌اکریلونیتریل به‌عنوان یک پلیمر مصنوعی استفاده می‌شود و هنوز هم بسیار گران‌تر از آن هستند که بتوان از الیاف کربنی در مقیاس وسیع مصرف‌کننده استفاده کرد. این نوآوری جدید در فناوری نانو که توسط محققان دانشگاه تگزاس شمالی توسعه یافته، الیاف کربنی را از پوشش دانه گیاهانی مانند ارکیده وانیلی تولید می‌کند اما این فناوری نانو چیزی جز وانیل نیست؛ این روش جدید مقرون به‌صرفه، کربن سازگار با محیط‌زیست و باکیفیت بالاتر را تولید می‌کند. الیافی که صاف‌تر هستند، توزیع قطر باریک‌تر و عیوب کمتری نسبت به الیاف «لیگنین کرافت» دارند. لیگنین کرافت نوعی لیگنین صنعتی است که از خمیر کرافت به دست می‌آید و حدود 85 درصد از کل لیگنین تولیدشده در جهان را تشکیل می‌دهد.

تولید لایه‌های نازک رسانای شفاف

غشاهای رسانای شفاف در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی برای صفحه‌های لمسی و نمایشگرها و نیز فتوولتائیک‌ها و سایر پوشش‌هایی با کارایی بالا استفاده می‌شوند. رایج‌ترین ماده رسانای مورداستفاده در این غشاها، اکسید قلع ایندیم (ITO) است. این ماده ITO شکننده بوده و از مواد اولیه گران‌قیمت و کمیاب تولید می‌شود، بنابراین با افزایش تقاضا برای لوازم الکترونیکی پوشیدنی و هوشمند و لایه‌های نازک قابل خم‌شدن، نیاز به جایگزین‌های ارزان‌تر و انعطاف‌پذیرتر وجود دارد. دانشمندانی که در دانشگاه هنگ‌کنگ فعالیت می‌کنند، تکنیکی را برای رشد نانوذرات نقره و نانوسیم‌های انعطاف‌پذیر ابداع کرده‌اند که عملکرد بهتری نسبت به اکسید قلع ایندیوم دارند. نانومواد نقره بسیار شفاف و رسانا بوده و با استفاده از مواد ارزان‌قیمت و فرآیند ساخت ساده تولید می‌شوند. این فناوری نیز آماده مشارکت محققان با صنعت برای مصارف کاربردی آنهاست.

مرز جدید برای قطرات در دل قطرات

امولسیون‌های متعددی شامل مخلوطی از مایعات غیرقابل‌اختلاط که به صورت قطرات درون قطرات دیگر تشکیل می‌شوند، در زندگی روزمره در طیف وسیعی از محصولات مانند داروها، رنگ‌ها و پوشش‌ها، لوازم آرایشی و موادغذایی وجود دارند. با وجود این، فناوری‌های فعلی برای ایجاد این محصولات کپسولی و پوشش‌دار، با توجه به کند بودن و نیاز آنها به تجهیزات خاص و اینکه اغلب قطرات بسیار بزرگی ایجاد می‌کنند، محدودیت‌هایی را به وجود می‌آورند. محققانی که در پس این پروژه تحقیقاتی قرار دارند در دانشگاه کالیفرنیا فعالیت کرده و راهی برای غلبه بر چنین محدودیت‌ها و ایجاد نانوامولسیون‌ها و نانوذرات چندنانومتری با قطرهای 100 تا 200 نانومتر پیدا کرده‌اند. این نانوذرات پایدار بوده و می‌توان آنها را با استفاده از تجهیزات استاندارد و مقیاس‌پذیر ایجاد کرد. این نوآوری جدید در فناوری نانو قرار است بر بسیاری از صنایع ازقبیل بهبود محصولات کشاورزی، کمک به تحویل داروهای درمانی و حتی ایجاد امولسیون‌های غذایی کم‌کالری با افزودن قطرات آب در روغن‌های چربی، تاثیر بگذارد.

تحول شارژ وسایل نقلیه الکتریکی

استفاده از باتری‌های لیتیوم یونی به‌عنوان منبع انرژی برای وسایل نقلیه الکتریکی رایج‌تر می‌شوند اما فناوری باتری‌های امروزی دارای محدودیت‌هایی چون زمان شارژ طولانی و برد کوتاه هستند، بنابراین نمی‌تواند تقاضای رو به رشد بازار را تامین کند. پیشرفت‌هایی که به تازگی در بهبود ویژگی‌هایی مانند چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یونی برای افزایش برد حرکتی با جایگزینی آندهای گرافیت با سیلیکون تمرکز دارند. درحالی که سیلیکون ظرفیت بالایی برای لیتیوم دارد و به راحتی در باتری‌ها ترک می‌خورد و همین امر طول عمر‌ آن را کاهش می‌دهد. نانوذرات مبتنی‌بر سیلیکون که توسط دانشمندان «آنگلیای شرقی» ساخته شده‌اند، می‌توانند به یکدیگر فشرده شده و از ترک خوردن‌ آن در مقیاس صنعتی جلوگیری کنند. این نانوذرات همچنین ظرفیت انرژی دوبرابری آندهای گرافیتی را فراهم می‌کنند. بعد از آزمایش‌های موفقیت‌آمیز آزمایشگاهی، این گروه تحقیقاتی به دنبال استفاده از این فناوری در بخش‌های صنعتی است.

فناوری اسپری خشک‌کن در غیرفعال کردن ژن‌ها

غیرفعال و خاموش کردن ژن‌های بیماری‌زا به همان اندازه چشمگیر به نظر می‌رسد که سرکوب بیان یک ژن خاص و کاهش اثر آن در هسته قابل‌توجه است. RNA تداخلی کوتاه یعنی siRNA از نظر تئوری قادر به انجام این کار است و تقریبا در برابر هرگونه تهاجم خارجی مانند عفونت ویروسی دفاع می‌کند. اما اثربخشی آن در برابر مبارزه با بیماری‌های مرتبط با ریه به‌طور خاص به دلیل نیاز به فرمولاسیون آن برای استنشاق از طریق یک نانوحامل به‌شدت مهار می‌شود. یک گروه تحقیقاتی در یکی از دانشگاه‌های مونیخ راه‌حل جدیدی ایجاد کرده که به‌طور بالقوه می‌تواند این زمینه را متحول کند. آنها برای این مشکل، پلتفرمی برای خشک کردن نانوذرات siRNA را با اسپری به‌عنوان روشی برای تبدیل مایع به پودر خشک تولید کرده‌اند که برای تحویل هدفمند در برابر یک میزبان مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این روش در درمان بیماری‌های مرتبط با تنفس، از آسم گرفته تا فیبروز کیستیک و سرطان ریه به کار می‌رود. فرمول پودر خشک قابل‌استنشاق ایجاد شده که از طریق روش جدید تولیدشده ویژگی‌های نانوذرات را پس از پراکندگی مجدد و نیز یکپارچگی siRNA و زیست‌فعالی هر دو سیستم و نانوحامل حفظ می‌کند، درحالی که از غیرفعال کردن کارآمد ژن در سلول‌های اپیتلیال ریه و سلول‌های T اطمینان می‌دهد. گروه تحقیقاتی در جست‌وجوی افرادی برای تولید بیشتر در مقیاس بالا هستند.

چاپ نانوتخلخل برای آینده تجدیدپذیر

تخلخل فوق‌العاده بالا چارچوب‌های فلزی- آلی آنها را برای ذخیره گازهایی چون هیدروژن و متان ایده‌آل می‌کند. با توجه به اینکه اپراتورهای برق به دنبال اثبات این موضوع هستند که گاز می‌تواند یک مخزن انرژی جدیدپذیر براساس تقاضا باشد، چارچوب‌های فلزی- آلی (MOFs) یک راه‌حل منحصربه فرد ارائه می‌دهند. تاکنون استفاده از MOF به دلیل رسیدگی به مشکلات، فرآیندهای تولید طولانی و از دست دادن تخلخل را به چالش کشیده است. درحال حاضر، دانشمندان دانشگاه «اکستر»، MOFها را با پلیمرهای قابل چاپ سه‌بعدی ترکیب کرده‌اند تا موادی ایجاد کنند که می‌توانند در چاپ سه‌بعدی بدون از دست دادن تخلخل مورد استفاده قرار گیرند. انعطاف‌پذیری بیشتر در طراحی، ساخت ساختارهای پیچیده با اندازه‌های منفذی از مقیاس ماکرو تا نانو را امکان‌پذیر می‌سازد. فرآیند چاپ سه‌بعدی نیز تضمین می‌کند که کریستال‌های MOF به‌شدت به سطح پلیمر متصل شده و نیاز به جابه‌جایی را کاهش می‌دهند. این دانشگاه به کشف طیف وسیعی از مواد و کاربردهایی ادامه می‌دهد که در این فناوری قادر به فعال شدن هستند.

نانوماده نسوز با قابلیت تولید گرما

آتش‌سوزی‌های خانگی از چند جهت پرهزینه هستند. استفاده از مواد قابل‌اشتعال ازجمله پلی‌استایرن برای عایق‌کاری ساختمان تنها باعث انتشار این آتش‌سوزی‌ها می‌شود و افزودن مواد افزودنی ضدشعله مانند اکسید گرافن که محصولات جانبی سمی را در هنگام آتش‌سوزی تشکیل می‌دهد، هم برای انسان و هم برای محیط‌زیست مضر هستند. راه‌حل این مشکلات توسط محققان دانشگاه نورث‌ایسترن به شکل یک آنروزل مقاوم در برابر آتش تولید شده است. این آنروزل از نانوالیاف سلولزی و فاز فلزی دی‌سولفید مولیبدن، فوق‌سبک و با استحکام بالا در برابر آتش تولید شده است. این ماده دارای ساختار شبکه‌ای است که شاخص اکسیژن را محدود می‌کند و مقاومت در برابر آتش را بهبود بخشیده و یک سد نانویی ایجاد می‌کند که از انتشار مواد سمی جلوگیری کرده و در عین حال گرمای خارجی و نفوذ اکسیژن را سرکوب می‌کند. این گروه تحقیقاتی به دنبال فرصت‌های تجاری و توسعه‌ای هستند تا با فناوری نانوی خود بتوانند تاثیرگذار باشند.

راه‌حل هدفمند برای همه‌گیری خاموش

گزارش‌ها حکایت از آن دارد که «همه‌گیری خاموشی» از ابرمیکروب‌ها در اثر مقاومت میکروبی در حیوانات مزرعه ایجاد شده است که نیاز به بهبود نظارت آنتی‌بیوتیکی در داروهای حیوانات دارد. به‌عنوان بخشی از این راهکار، یافتن جایگزین‌های جدید برای آنتی‌بیوتیک‌ها به‌منظور محافظت از دام‌هایی مانند خوک‌ها در برابر بیماری‌ها و تضمین رشد و سلامت مثبت احساس می‌شود. برای رسیدن به این هدف، محققان دانشگاه «مانیتوبا» یک نوآوری در نانوذرات جدید ایجاد کرده‌اند به‌طوری که از روغن ضروری به‌عنوان مکمل غذایی جایگزین آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده می‌کنند که نسبت به فناوری‌های کنونی ارزان‌تر هستند. این فناوری نانو از نظر آزادسازی زمان‌بندی شده اسانس‌ها از طریق تثبیت ترکیبات و جلوگیری از جذب در معده را قبل از رسیدن به روده میانی به کار می‌رود و همه مواد مورد استفاده پیش از این برای استفاده از خوراک دام تایید شده‌اند.

فناوری نانو و درمان موثرتر سرطان

نانوذرات که ابتدا به‌عنوان نشانگرهای بیولوژیکی طراحی شده بودند، وارد نخستین آزمایش درمانی خود به‌عنوان درمانی بیماران مبتلا به سرطان‌های پیشرفته، عودکننده و مقاوم به درمان می‌شوند. «نقاط کرنل» شامل نانوذرات فلورسانت محصورشده با سیلیس که توسعه یافته‌اند، به‌عنوان نشانگرهای بیولوژیکی دارای پتانسیل بالایی هستند. این فناوری از زمان رونمایی در سال 2005 تاکنون بهبود یافته و نسخه جدید با قطعات آنتی‌بادی در ابعاد نانو مسلح شده است. در این درمان‌های نانویی، بدون اتصال دارویی، نوعی مرگ سلولی در تومورها القا می‌شود. بررسی‌ها نشان می‌دهد یکی از کلیدهای نانوذرات «نقاط کرنل» توانایی پاکسازی موثر از بدن از طریق کلیه‌ها با حداقل تجمع خارج از هدف است. این نانوذرات یا تومور را هدف قرار داده یا خارج می‌شوند و در مکان‌های خارج از هدف در بدن تجمع نمی‌یابند؛ در نتیجه، انتظار می‌رود آنها به میزان قابل‌توجهی عوارض جانبی را نسبت به پلتفرم‌های درمانی قبل کاهش دهند. پس از تزریق نانوذرات حامل دارو به گردش خون، این نانوذرات، تومورهای سرطانی را پیدا می‌کنند و سپس در ریزمحیط تومور منتشر می‌شود تا به‌طور خاص سلول‌های تومور را هدف قرار دهند.