نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه سوم

اهداف جلسه:

نانوکامپوزیت ها در بدن و پوست جانداران: از این دسته می توان به صدف ها، استخوان ها و مرجان ها اشاره کرد. بیشتر این موارد از کلسیم کربنات هایی به وجود آمده اند که در اثر خودآرایی ( آرایش خود به خودی در راستای تشکیل پایدارترین ساختار) در یک شبکه ( مثلا یک شبکه پلیمر طبیعی) یک ساختار سه بعدی منظم و پیچیده را ایجاد کرده اند.
اگر در خصوص استخوان ها و خواص جالب توجه آن ها دقت کنیم، متوجه می شویم که آن ها با وجود استحکام بالا، سبک، منعطف و متخلخل هستند. تحمل وزن استخوان ها بالا بوده و استحکام فشاری آن ها در حدود دو برابر استحکام کششی آن ها است. این خواص شگفت انگیز نتیجه ساختار و ترکیب جالب توجه استخوان ها است. استخوان ها متشکل از تارهای کوچک کلاژنی است که با استفاده از ذرات فسفات کلسیم (هیدروکسی آپاتاید) تقویت شده اند.

اکثر استخوان ها ساختاری ساندویچی شکل دارند. آن ها از یک پوسته فشرده و چگال کلاژنی و یک بخش داخلی اسفنجی تشکیل شده اند. در بخش اسفنجی تنها 20 درصد آن از مواد استخوانی تشکیل شده است و بخش اعظم آن را مغز استخوان تشکیل داده است. تارهای کوچک کلاژنی عموما شامل مولکول های آرایش یافته کلاژنی با طول حدود 300 نانومتر و ضخامت حدود 5/1 نانومتر است. این رشته ها به صورت تناوبی طوری کنار هم چیده شده اند که فضاهایی نانومتری را ایجاد کرده اند. این تارهای کلاژنی با استفاده از ذرات هیدروکسی آپاتاید پوشش داده شده اند. در بدن انسان این ذرات در حدود 2 تا 4 نانومتر را دارند. در نتیجه ترکیب این دو ساختار تشکیل نانوکامپوزیتی داده است که در آن رشته های نرم کلاژنی با ساختار سخت و محکم هیدروکسی آپاتاید تقویت شده است. استخوان، یک نانوکامپوزیت ایده آل است که به عنوان مدلی برای تولید و توسعه نانوکامپوزیت های پلیمری تقویت شده با نانوموادی هم چون نانولوله های کربنی در نظر گرفته می شود.
صدف ها از لایه های سلولی تشکیل می شوند که این سلول ها پوششی سخت از جنس پروتئین وبا حضور یک پلیمر، پلی ساکاریدی مثل کیتین ایجاد می کنند. در این جا پروتئین مانند یک کنترل کننده در فرایند خودآرایی نانویی عمل می کند و مقدار و ساختار رشد بلورهای کربنات کلسیم را هدایت می کند. دور هر شبکه کریستالی یک ماتریس لانه زنبوری از پروتئین یا کیتین باقی می ماند. اندازه هر کریستال کربنات کلسیم در صدف ها در حدود 100 نانومتر است. این شبکه منعطف عامل بروز ویژگی های مکانیکی ممتاز مانند مقاومت فراطبیعی در برابر ضربه در صدف ها است.

بال حشرات: رنگ های چشم نوازی که در سنگ یشم و بال پروانه ها دیده می شوند مستقیما با ساختار آن ها در ارتباط است. در ساختار بال پروانه ها و سنگ یشم خوشه هایی از نانوذرات وجود دارند که به عنوان عامل انتشار نور عمل می کنند و حالت رنگین کمانی را در آن ها ایجاد می کند. رنگ بال پروانه ها عموما دارای رنگ های متفاوتی است که تحت تاثیر سطح بال ها و برهم کنش آن ها با نور مرئی است. بروز حالت رنگین کمانی ناشی از تغییر رنگ یک ماده در زمانی که نور از زوایای متفاوتی به آن می تابد است. برای این که ذره بتواند عامل خاصیت رنگین کمانی باشد باید در حدود ابعاد نانومتری باشد. برخورد نور با سطح نانومتری ناهموار باعث ایجاد تداخل سازنده و مخرب بین نورها می شود. رنگ، شدت زوایای نور بازتاب شده از یک سطح به غیر از طول موج و زاویه تابش نور، با جنس و ضخامت زیر لایه رابطه مستقیم دارد. در مورد بال پروانه خاصیت رنگین کمانی به شکل خاصی ایجاد می شود. دانشمندان از بررسی بال پروانه ای به نام مورفو هتنور به این نکته پی برده اند که بال این جاندار از کنار هم قرار گرفتن واحد های فلس مانندی به شکل سفال های سقف ایجاد می شود. هر واحد ابعادی در حدود 20×70 میکرومتر دارد و ساختار سطحی همه واحدها یکسان است. سطح همه این واحدها حاصل از آرایش فوق منظم پره هایی نانومتری است که عرض هر کدام حدود 800 نانومتر است. فضای بین این پره ها کریستال های نوری طبیعی است که می توانند تداخل سازنده یا ویرانگر ایجاد کند. این کریستال های نوری ساختارهای نانومتری تکرار شونده ای هستند که می توانند گذرگاه هایی برای نور ایجاد کنند.

خاصیت لوتوس: نیلوفر آبی از گیاهان بومی آسیا است. برگ های این گیاه حتی اگر محیط اطراف آن گلی باشد همواره تمیز هستند. برگ های این گیاه می توانند آب را به طور کامل پس بزنند، چون سطح برگ ها آب گریز است. لذا قطرات آب روی سطح برگ می غلتند و با حرکت روی سطح برگ آلودگی ها و خاک را از سطح جدا کرده و سطح برگ را تمیز می کنند. این اثر “ اثر خود تمیز شوندگی” نام دارد. خود تمیز شوندگی اولین بار توسط ویلهم برتلوت مطرح شد. وی در طی مقاله ای که در سال 1997 منتشر کرد برای اولین بار به طرح این مساله تحت عنوان خاصیت لوتوس پرداخت و این خاصیت را علت رفتار متفاوت برگ گل نیلوفر آبی دانست. برخی دانشمندان علت بروز خاصیت لوتوس را وجود میکروساختارهای سطح برگ و سلول اپیدرم سطح ناهموار برگ که با کریستال های نوعی صمغ پوشیده شده اند، اعلام کرد. این کریستال ها سطح آب گریزی را ایجاد می کنند که با ناهمواری های سطح برگ تقویت شده و در نهایت سطحی آب گریز با زاویه ترشوندگی حدود 150 درجه را ایجاد می کنند. به واسطه این زاویه تماس، قطره ها حداقل فصل مشترک ممکن را با سطح برگ خواهند داشت که باعث می شود قطرات بر روی سطح برگ تقریبا به صورت کروی درآیند. آلودگی ها (عمدتا آن هایی که از ابعاد ناهمواری ها بزرگ تر هستند) روی سطح ناهمواری ها با چسبندگی کم می مانند و قطرات آب حین غلتیدن روی سطح این آلودگی ها را جذب کرده و از سطح جدا می کنند، پس از عکس برداری از سطح برگ ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخص شد که روی سطح ناهمواری های میکرومتری سطح برگ گل نیلوفر آبی ناهمواری های نانومتری به طول چند ده نانومتر وجود دارد که باعث تشدید خاصیت آب گریزی می شود. هرچه سطح تماس یک ماده آب گریز بیشتر شود خاصیت آب گریزی بیشتر می شود. در مورد نانوذرات باتوجه به این که نسبت سطح به حجم بسیار بالا است با حجم کمی از نانو ساختارها می توان این تاثیر را به مقدار قابل توجهی تشدید کرد. برگ گل نیلوفر هم از همین خاصیت بهره مند است.

نانوماشین های زیستی: برخی جانداران وجود دارند که خودشان فاصله زیادی با ابعاد نانو ندارند، این جانداران حیات خود را مدیون نانو ماشین های زیستی هستند. ویروس ها با قطری کمتر از 100 نانومتر می توانند به آسانی وارد بدن جانداران شده و موجب بیماری گردند. بسیاری از تک سلولی ها، باکتری ها و ویروس ها مجهز به نانوماشین های پیچیده ای هستند. به عنوان مثال این جانداران از این اندامک ها برای جابه جا شدن استفاده می کنند و این اندامک ها در زمره ی اندامک های حرکتی آن ها قرار می گیرند. اندامک های درون سلولی بدن ما نیز همگی نانومتری هستند. پروتئین ها، دستگاه گلژی، گیرنده های عصبی و... سیستم های نانومتری هستند که عهده دار وظایف حیاتی بدن ما می باشند.

مطالب مرتبط:

نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه اول
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه دوم
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه سوم
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه چهارم
نانو مغناطیس و ساخت نمونه اولیه آهنربای مایع – جلسه پنجم

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه و تنظیم: اعظم اژدری