کاربرد کشاورزی نانوتکنولوژی Nanotechnology

کاربرد کشاورزی نانوتکنولوژی Nanotechnology

مطابق تعریف اگر یک میلیمتر به یک میلیون قسمت تقسیم شود، به هر جزء حاصل یک نانومتر گویند. برای درک بهتر نسبت میان نانومتر و متر، می‌توان نسبت میان آن دو را مانند نسبت یک تیله به کره زمین دانست. در مقیاس زیستی، نانومتر کوچکترین واحد اندازه گیری است بعنوان مثال فاصله میان دو اتم کربن (درپیوند کربن- کربن) برابر با 12 تا 15 نانومتر، طول کوچکترین باکتری سلول دار یافت شده برابر با 200 نانومتر و قطر مارپیچ دوگانه DNA برابر با 2 نانومتر است.

عبارت "نانوتکنولوژی" برای نخستین بار در مقاله نگاشته شده توسط پروفسور Norio Taniguchi از دانشگاه علوم توکیو در سال 1974بکار برده شد. او این عبارت را بصورت "نانوتکنولوژی عمدتاً شامل فرآیند جداسازی، ادغام و تغییر حالت مواد بصورت اتم به اتم و یا مولکول به مولکول است" تعریف کرد. بعدها این تعریف کامل‌تر شد و هم اکنون نانو فناوری (نانو تکنولوژی) بصورت "طراحی، تعیین ویژگی‌ها، تولید و کاربرد مواد، ابزارآلات و سیستم‌ها با کنترل شکل و اندازه در مقیاس نانو" و یا "دستکاری کنترل شده، جاگیری دقیق، اندازه گیری، مدلسازی و تولید مواد در مقیاس نانو با هدف تولید مواد، ابزار و سیستم‌هایی با ویژگی‌های بنیادی و عملکردی جدید (بدلیل غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک)" تعریف می‌شود.

از اوایل دهه 80 میلادی به سبب توجه مجدد به علوم مرتبط به کلوئیدها و معرفی نسل جدیدی از ابزارهای آنالیز میکروسکوپی، مانند میکروسکوپ نیروی اتمیAtomic Force Microscope (AFM)و میکروسکوپ تونلی روبشی STM) Scanning Tunneling Microscope)، بهره گیری از فناوری نانو مورد توجه قرار گرفت. این ابزارها در ترکیب با فرآیندهای بهبود یافته تعیین پرتوهای منتشره از مولکول‌ها و الکترون‌ها مانند electron beam lithography و molecular beam epitaxy، امکان دست ورزی دقیق نانوساختارها و همچنین امکان مشاهده پدیده‌های بدیع را فراهم می‌کنند.

رویه‌های اصلی مورد استفاده در نانو ذرات:

1- رویه پایین به بالا: براساس این رویه، مواد و وسایل از اجزای مولکولی که بطور شیمیایی و براساس اصول شناخت مولکولی، با یکدیگر اسمبل شده‌اند (سرهم بندی شده‌اند)، بدست می‌آیند. از کاربردهای این رویه که در آن اجزای کوچکتر بصورت کمپلکس های بزرگتر مرتب می‌شوند، می‌توان به DNAنانو تکنولوژی اشاره کرد که در آن اختصاصی بودن جفت بازهای واتسون- کریک برای ایجاد ساختارهای DNAو دیگر اسیدهای نوکلئیک بکار گرفته می‌شود.

تکنیک‌های پایین به بالا، که ساختارهای بزرگتر را بصورت اتم به اتم و یا مولکول به مولکول می‌سازند، شامل سنتز شیمیایی، سرهم بندی خود به خود و سرهم بندی موضعی می‌باشند. نسخه دیگر رویه پایین به بالا، Molecular Beam Epitaxy یا MBE است که از اواخر دهه 60 و اوایل دهه 70 میلادی بکار گرفته شد. MBE به دانشمندان امکان می‌دهد که بطور اتوماتیک و دقیق لایه‌های اتمها را بر روی یکدیگر قرار داده و ساختارهای پیچیده را بسازند. MBE برای تحقیق در مورد نیمه رساناها مهم است و همچنین بطور گسترده برای تولید نمونه‌ها و وسایل برای رشته نوظهور spintronics بکار می‌رود.

2- رویه بالا به پایین: اشیای نانو از مواد بزرگتر، بدون کنترل سطح اتمی، ساخته می‌شوند. این رویه که در آن وسایل کوچکتر بوسیله سرهم بندی مستقیم وسایل بزرگتر ساخته می‌شوند، از جمله برای تولید ریز پردازنده‌ها بر اساس تکنیک‌های سیلیکون حالت جامد استفاده می‌شود.

در رویه بالا به پایین که نانووسایل باید بصورت قطعه قطعه در طی مراحل مختلف ساخته شوند، Scanning probe microscopy یک تکنیک مهم برای شناسایی خصوصیات و سنتز نانومواد است. میکروسکوپ‌های نیروی اتمی و تونلی روبشی برای نگریستن به ساختارها و به حرکت در آوردن اتمها به اطراف استفاده می‌شود. بوسیله طراحی سرها (Tipهای) مختلف برای این میکروسکوپ‌ها، می‌توان آنها را برای درج ساختارها بر روی سطوح و کمک به سرهم بندی خودبخود ساختارها، مورد استفاده قرار داد. برای مثال با استفاده از روش feature-oriented scanning-positioning، می‌توان اتمها را با تکنیک‌های Scanning probe microscopy، بر اطراف یک سطح بحرکت در آورد. در حال حاضر، این تکنیک برای تولید انبوه، گران و زمانبر است، اما برای مقاصد آزمایشگاهی بسیار مناسب است.

روش‌های ساخت نانو ذرات:

چگالش از یک بخار: شامل تبخیر یک فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه‌های نانومتری است که بصورت پودر ته نشین می‌شوند.

سنتز شیمیایی: شامل رشد نانو ذرات در یک محیط مایع حاوی انواع واکنشگرهاست.

فرآیندهای حالت جامد: از روش فرآیندهای جامد (آسیاب یا پودر کردن)، می‌توان برای ایجاد نانو ذرات استفاده کرد.

دلیل عمده توجه به فناوری نانو در سالهای اخیر این است که می‌توان ذرات نانو را با تراکم بالا و قطر مورد نظر (بسیار کم) اسمبل کرد لذا نسبت سطح به حجم افزایش یافته و دقت سنسورهای مورد نظر افزایش می‌یابد. یکی از جدیدترین کاربردهای فناوری نانو، تولید چاقوی با لبه پوشانده شده با نانوذرات است، تراکم اتمها در لبه تیز این چاقو به نحوی است که اتمها پیوندهای مستحکم بین خود را برای همیشه حفظ کرده و بنابراین کندشدن لبه چاقو، بدلیل استفاده زیاد از آن، هیچ گاه رخ نخواهد داد و لبه چاقو برای همیشه تیز خواهد ماند.

شاخه‌های بنیادین نانو فناوری

می‌توان موارد زیر را شاخه‌های بنیادین نانو فناوری دانست:

1- نانوروکش‌ها

2- نانو مواد

2-1 نانو پودرها

2-2 نانولوله‌ها(نانو تیوب‌ها)

2-3 نانوکامپوزیت‌ها

2-4 نانو کریستال‌ها: نانو کریستال‌ها برای تصفیه نفت خام بصورت سوخت دیزل بکار می‌روند. همچنین می‌توان آنها را بصورت لایه مانند در آورد و بعنوان مواد انعطاف پذیر برای تولید پانل‌های خورشیدی بکار برد. در صنایع اپتیکی نیز از پوشش نانو کریستالNano Crystal Coating استفاده می‌شود، زیرا استفاده از ذرات بسیار ریز در حد نانومتر باعث بهبود عملکرد ضد انعکاس لنز می‌شود. با مشاهده عکس‌های زیر می‌توان به تأثیر فوق‌العاده پوشش نانو کریستال در رفع انعکاس‌های ناخواسته پی برد:

3

3- مهندسی مولکولی

3-1 موتورهای مولکولی(نانو ماشین‌ها)

4- نانوالکترونیک

4-1 نانو سیم‌ها

4-2 نانوحسگرها (نانو سنسورها)

4-3 نانوترانزیستورها

از شاخه‌های جدید نانو فناوری می‌توان به نانو فناوری سبز Green nanotechnology اشاره کرد که هدف از آن توسعه فن آوری‌های سبز بمنظور به حداقل رساندن خطرات زیست محیطی از طریق تولید و کاربرد محصولات نانو تکنولوژی، که در طول چرخه حیات خود نسبت به سایر محصولات بیشتر دوستدار محیط زیست هستند، بعنوان جایگزین محصولات موجود است. برای مثال، غشاهای در اندازه نانو می‌توانند به جداسازی محصولات مطلوب واکنشهای شیمیایی از مواد زاید کمک کنند. همچنین کاتالیست‌های نانو می‌توانند به انجام واکنش‌های شیمیایی سودمند تر و با تولید مواد زاید کمتر کمک کرده و نانو سنسورها می‌توانند بعنوان بخشی از سیستمهای کنترل فرآیند، از آلودگی احتمالی مواد غذایی و آشامیدنی خبر دهند. استفاده از نانوذرات برای تولید پیل‌های سوختی و لامپ‌های LEDکه انرژی کمی مصرف می‌کنند، نمک زدایی از آب و سایر موارد مشابه نیز مورد توجه قرار دارد.

 کاربردهای عمومی نانوذرات:

زمینه‌های کاربرد نانو ذرات عبارتند از: تولید مواد کامپوزیت، کامپوزیت‌های ساختاری، کاتالیزورها، صنایع بسته بندی، روکش‌ها، افزودنی‌های سوخت و مواد منفجره، ساینده‌ها، روان کننده‌ها، پزشکی و داروسازی، دارو رسانی، محافظت کننده‌ها، آنالیز زیستی و تشخیص پزشکی، لوازم آرایشی و تولید باتری‌ها و پیل‌های سوختی.

نانوبیوتکنولوژی

نانوبیوتکنولوژی بیش از آنکه شاخه‌ای از بیوتکنولوژی باشد، شاخه‌ای از نانوتکنولوژی است. برحسب تعریف نانوبیوتکنولوژی "عبارت از شاخه‌ای از نانوتکنولوژی است که در زمینه‌های بیولوژی (ژنتیک مولکولی و سلولی) و بیوتکنولوژی کاربرد یافته است". بدین ترتیب نانوبیوتکنولوژی بعنوان یک رویکرد جدید و همگرا کننده حوزه‌های مختلف علوم پایه، فنی مهندسی، کشاورزی و صنایع غذایی، محیط زیست، علوم پزشکی و بیوتکنولوژی بوده و کاربردهای فراوانی خواهد داشت.

کاربردهای نانوتکنولوژی در کشاورزی:

 1- دارو رسانی- استفاده از داروها (سموم) هوشمند در ابعاد نانو جهت انتقال دارو به اندام گیاهی مورد حمله عامل بیماری یا آفت

2- کود رسانی – کودهای پوشش داده شده با نانو ذرات (نانو کپسول)، به زمین زراعی افزوده می‌شوند. باز شدن کپسولها و آغاز عملکرد کود صرفاً در صورت تماس پوشش کود با مواد خاص مترشحه از ریشه گیاه خواهد بود.

3- نانو حسگرهای زیستی- نانو حسگرها که به ترکیبات خاص شیمیایی مانند بوی منتشره از ماده غذایی در حال فساد حساسند، در این شرایط تغییر رنگ داده و فساد ماده غذایی را نشان می‌دهند. نانوحسگرهای زیستی در صنعت بسته بندی مواد غذایی بکار گرفته می‌شوند.

4- جذب مقادیر زاید آفت کش‌ها و کودهای شیمیایی در محیط زیست (نانو فناوری سبز)

5- استفاده از نانوذرات برای تولید لوازم و ادوات مورد استفاده در آبیاری تحت فشار

6- استفاده از نانوذرات برای افزایش استحکام قطعات سایشی ماشین آلات کشاورزی

7- استفاده از نانوفلزات (نانوطلا) در تکنیک ریز آرایه (Micro Array)

8- اثرات ضدزیستی نانوفلزات (نانو نقره) بر باکتریهای بیماریزا (نانوبیوتکنولوژی)

ذرات نانونقره خوشه‌هایی از اتم‌های نقره هستند که در غلظت‌های پایین دارای اثرات ضد میکروبی (ضد قارچ و باکتری) می‌باشند. این امر سبب شده که از این ذرات درکنترل آلودگیهای قارچی و باکتریایی محیط‌های کشت بافت گیاهی استفاده شود (استفاده از آنتی بیوتیک ها در کشت درون شیشه‌ای می‌تواند سبب آسیب به بافت‌های گیاهی شده و ریسک تولید گونه‌های مقاوم باکتریایی را بالا ببرد، همچنین در برخی موارد رشد گیاهان در شرایط حضور ترکیبات آنتی بیوتیک کاهش می‌یابد).

برای بررسی تأثیر نانو نقره بر رشد میکروارگانیسم ها، ریزنمونه‌های گیاهی آلوده به باکتری را برای مدت مشخصی در محیط‌های کشت با غلظت‌های مختلف نانونقره غوطه ور کرده و سپس آلودگی باکتریایی نمونه‌ها را اندازه می‌گیرند. آزمایشات مختلف در این زمینه نشان دهنده کاهش معنی‌دار شدت آلودگی در تیمارهای متعادل نانونقره است. برخی آزمایشات اثر نانونقره را بر باکتری‌های گرم مثبت و برخی دیگر بر روی باکتری‌های گرم منفی تایید می‌کنند. استفاده از نانونقره‌های با ابعاد کوچک (5-1 نانومتر) ممکن است بر روی قارچ‌ها موثر باشد. در چند گزارش استفاده از ترکیبات دارای نقره (نیترات نقره و تیوسولفات نقره) در محیط کشت باعث افزایش باززایی ریز نمونه‌ها شده است. مکانیسم عمل نانو نقره بسته به بافت هدف تا حدودی متغییر است. مشخص شده که نانونقره با گروه‌های سولفیدریل و DNA برهمکنش دارد. یون نقره روی غشای سیتوپلاسمی و دیواره سلولی اثر دارد. یکی از مکانیزمهای اصلی اثر نانو نقره مربوط به نفوذ این ماده به دیواره سلولی باکتری و تنظیم سیگنال‌های سلولی بوسیله جدا کردن فسفر از پیش ماده پپتید اصلی تیروزین می‌باشد. استفاده از نانونقره در غلظت‌های مناسب اثر منفی روی گیاه نداشته و موجب مقاومت باکتریایی نمی‌شود. نتایج برخی از آزمایشات نشان می‌دهد که گیاهان تیمار شده با نانونقره تا حدودی شاداب‌تر از گیاهان شاهد بوده و رشد بهتری دارند که احتمالاً مربوط به اثر نقره روی توقف عمل اتیلن می‌باشد. نتایج آزمایشات مختلف بیانگر تأثیر مرگبار ذرات نانو نقره بر باکتری‌های بیماریزایی چونPseudomonase florescence،E. coliوS. aureus است.

تصویر زیر مکانیسم عمل نانو نقره را نشان می‌دهد:

بر اساس این مدل: 1- نانونقره می‌تواند یون نقره آزاد کند و به نوبه خود، یون نقره نیز تولیدROS  می‌نماید 2- نانونقره می‌تواند با پروتئین‌های غشا تلاقی نموده و باعث اختلال در فعالیت‌های صحیح آن شود 3- نانونقره می‌تواند در سطح غشا پلاسمایی تجمع یافته و نفوذپذیری غشا را تغییر دهد 4- نانونقره می‌تواند با تخریب غشا وارد سلول شده و تولید یون نقره و ROS نماید که هر دو بر DNA اثر تخریبی دارند.

به محض ورود نانوذره به سیتوپلاسم دو اتفاق مهم ممکن است رخ دهد: الف- ممکن است نانو ذره به شکل نانو باقی بماند که در این صورت با اتصال به پروتئین‌ها و آنزیمهای حیاتی در کار آنها ایجاد اختلال می‌کند، ب- ممکن است نانو ذره به یون تبدیل و یا از آن یون آزاد شود که با توجه به کوچکی ذره نانو و تراکم بسیار زیاد نانو ذره در سلول نوعی انفجار یونی صورت می‌گیرد که برای باکتری به شدت کشنده است. در تایید این پیشنهاد مشخص شده که ذرات نانو با اندازه کمتر از 70 نانومتر براحتی وارد هسته سلول می‌شوند و می‌توانند به آن آسیب برسانند.

- گونه‌های فعال اکسیژن یا ROS فرآورده طبیعی متابولیسم تنفس در موجودات زنده می‌باشند. این فرآورده در میزان معمول خود، توسط سیستم آنتی اکسیدان سلول خنثی می‌شود، ولی تولید بیش از حد آن می‌تواند برای چربی‌های غشا، پروتئین‌ها، آنزیم‌ها و DNA آسیب رسان باشد. یون نقره حاصل از نانو نقره، با اتصال به گلوتاتیون احیا (GSH) از فعالیت آنتی اکسیدانی این ماده جلوگیری می‌کند و در نتیجه میزان تولید ROS را در سلول بالا می‌برد. علاوه بر این فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز را نیز مختل می‌کند. از نظر علمی مجموعه این تغییرات باعث آسیب جدی به سلول باکتری شده و حتی زمینه مرگ باکتری را فراهم می‌کنند.

منابع اصلی مورد استفاده:

1- سایت ویکی پدیا  http://en.wikipedia.org/wiki/Nanotechnology

2- "تحلیلی بر اثرات مثبت و منفی نانو ذرات به ویژه نانو نقره بر گیاهان و جانوران و محیط زیست"، علی اکبر احسانپور- مقالات کلیدی دوازدهمین کنگره علوم زراعت و اصلاح نباتات ایران، کرج، شهریور1391، 12صفحه.

3- "استفاده از نانوسیلور برای حذف آلودگی باکتریایی در کشت درون شیشه ایAraucaria excelsa "، حسن صالحی، مصطفی خوشحال سرمست و مرتضی خوشخوی- مقالات ششمین کنگره علوم باغبانی ایران، دانشگاه گیلان، تیرماه 1388، ص 98-96.