دی ان ای، پیشرفته‌ترین زبان ِ برنامه‌نویسی فناوری‌نانو

یکی از محققان برجسته در حوزه مواد قابل برنامه‌ریزی بر این باور است که یکی از بهترین راه‌های عملی دستیابی به نانوفناوری پیشرفته، استفاده از DNA سلول به‌عنوان زبان برنامه‌نویسی برای ایجاد ساختارهای زنده‌ای است که عملکردهای مورد نظر را از خود نشان می‌دهند.

 

برای بسیاری کلمه نانوفناوری به معنای یک ماشین بسیار ریز، حتی کوچک‌تر از سلول‌های درون بدن ماست. این ماشین می‌تواند دارای عملکردهای بسیار جذابی همچون تعمیر بافت، پاکسازی پروتئین‌های آسیب‌دیده و یا نابودی سلول‌های سرطانی و ویروس‌ها باشد. بدن ما می‌تواند پر از این ماشین‌هایی باشد که از آن به خوبی مراقبت می‌کنند. تولید چنین ماشین‌هایی یک ایده بسیار جذاب است و شاید روزی چیزی شبیه به این ماشین‌ها را بتوانیم تولید کنیم. اما در حال حاضر این ماشین‌ها بیشتر شبیه تخیل هستند تا واقعیت.

آندرو هسل محقق برجسته گروه مواد زیستی/نانویی و بنیانگذار موسسه خیریه Pink Army که برای مبارزه با سرطان پستان است، می‌گوید: «در حال حاضر فناوری‌نانو بسیار دشوار است». او که به‌طور معمول خود را یک زیست‌شناس معرفی می‌کند، در همایش «پزشکی نمایی» در مورد فناوری‌نانو سخنرانی ‌کرد تا نشان دهد این دو حوزه بیش از آنکه تصور می‌کنیم، باهم همپوشانی دارند.

چرا فناوری‌نانو اینقدر دشوار به نظر می‌رسد؟ زیرا قوانین معمول در دنیای نانو حاکم نیستند. در این مقیاس بسیار کوچک همه چیز زنده، پویا و دائم در حال حرکت است. فیزیک اشیاء متفاوت بوده و مقیاس زمانی، بسیار عجیب است. اما مساله این است که می‌توان به این فناوری از زاویه دیگری که هسل توصیف می‌کند، نگریست. براساس نظر وی، فناوری‌نانو یکی از قدیمی‌ترین و توسعه‌یافته‌ترین فناوری‌های مورد استفاده است.

ویروس‌ها یا ماشین‌های سلولی بدن در مقیاس نانو عمل می‌کنند. هسل می‌گوید: «وقتی به سلول‌ها می‌نگرد، یک سخت‌افزار محاسباتی و تولیدی می‌بیند که مشغول خودآرایی است. این سخت‌افزار خودآرا یک زبان برنامه‌نویسی به نام DNA دارد که در تمام موجودات زنده مشترک است و این چیزی است که ما باید از آن بهره ببریم.» هسل می‌افزاید: «اگر واقعا علاقمند به فناوری‌نانو هستید، اما می‌خواهید به‌ صورت دیجیتالی آن را اجرا نمایید، باید روی برنامه‌نویسی سلول‌ها برای انجام کارهای مورد نظر و استفاده از DNA به‌عنوان زبان برنامه‌نویسی فکر کنید».

ما سالهاست که با استفاده از DNA شکل‌های ساده ایجاد می‌کنیم. در حال حاضر می‌توانیم شکل‌های پیچیده نیز تولید کنیم و تصور طراحی این شکل‌ها روی رایانه دور از دسترس نیست. حتی برخی از اشکال DNA می‌توانند عملکردهای ساده‌ای همچون حمل یک مولکول (همچون مولکول دارو) را انجام دهند. هسل همچنین درباره زیست‌شناسی سنتزی صحبت می‌کند. ما می‌توانیم کدهای DNA را نوشته، آن را به یک مرکز چاپ ارسال کرده، پس از چند هفته آرایه DNA مورد نظر را دریافت کرده و ویروسی بسازیم که قادر به اجرای عملکردهای مورد پیش‌بینی در کد خود است. این کاری است که در حال حاضر هسل در گروه خود انجام می‌دهد: نوشتن نرم‌افزاری برای دستکاری زیستی در کوچک‌ترین مقیاس و اجرای عملکردهای مورد نظر از ساختار ایجاد شده. در حال حاضر او روی نانوذرات تمرکز دارد، اما به سرعت در حال توسعه کار خود روی زمینه‌های پیچیده‌تر است.

منبع: singularityhub.com

الهام از طبیعت...(پاهای مارمولک‌ها، آبدزدک‌ها و عنکبوت‌ها)

در بدن بسیاری از حیوانات ساختارهای نانو وجود دارد. بیوتربیولوژی، مطالعه اصطکاک، روان کنندگی و فرسایش در مورد موجودات زنده است. بررسی پدیده‎های چسبندگی پای مارمولک از نمونه مثال هایی است که در حوزه بررسی این دانش قرار می‎گیرد. مارمولک های گکو گونه‎های شناخته شده در قابلیت بالا رفتن از سطوح صاف و حتی چسبیدن به سقف و راه رفتن روی آن هستند. آبدزدک ها، حشرات کوچکی هستند که می توانند روی آب اسکی بروند بدون آنکه پاهای آن ها در آب فرو رود و خیس شود. عنکبوت قابلیت فوق العاده ای در چسبیدن و بالارفتن از سطوح صاف دارد. این مقاله به بررسی چسبندگی این موجودات بر اساس نیروهای واندروالس بین نانوساختار پا و سطح، پرداخته است. از ساختار مشابه بدن این موجودات در کاربردهای فناوری نانو استفاده شده است. 

پاهای مارمولک ها، آب دزدک ها و عنکبوت ها

زمین مهد نانوفناوری است و طراح و سازنده موجودات، قدرتی بی‎کرانی دارد که اکنون هیچ کس نمی‎تواند آن را انکار کند. نانو در حیات وابسته به علم محدود بشری است که باید ابزارهایی مثل میکروسکوپ های قدرتمند الکترونی را برای دیدن این ابعاد استفاده کند، نیست و از روزی که موجودات ایجاد شده‎اند، نانوساختارهاو پدیده‎های نانومتری و حتی فراتر از آن بوده‎اند. فکر کنید که هر مارمولک، پشه، مگس، سوسک یا آب دزدکی که می‎بینید بدون استفاده از روش های پرهزینه ساخت، از پاهایی برخوردارند که نانوساختارهایی دارد. شما خیلی از این موجودات را دیده‎اید. اما با مطالعه این مقاله متوجه خواهید شد که از این به بعد باید با دقت بیشتری به حرکت‎های این حیوانات توجه کنید. 

تریبولوژی مطالعه اصطکاک، روان کنندگی و فرسایش است، زمانی که در مورد موجودات زنده مطرح می‎شود "بیوتریبولوژی" نامیده می‎شود. بررسی پدیده‎های چسبندگی پای مارمولک از نمونه مثال هایی است که در حوزه بررسی این دانش قرار می‎گیرد. مارمولک های گکو گونه‎های شناخته شده ای هستند که در قابلیت بالا رفتن از سطوح صاف و حتی چسبیدن به سقف و راه رفتن روی آن می باشد. بین پای مارمولک و سطح نیروی چسبندگی بالایی وجود دارد. اما این نیرو از کجا آمده است؟ منشاء این نیروی چسبنده سوالی بوده که مدت زیادی بی پاسخ مانده است. در سال 2000 گزارشی از پاهای چسبنده مارمولک به چاپ رسید که در آن مکانیزم چسبندگی پاهای مارمولک بیان شده بود. آن ها این نیروی چسبندگی خاص را ناشی از تجمع نیروی واندروالس بین رشته‎های متعدد پای گکو و مولکول های سطحی مواد جامد عنوان کردند. کشف این حقیقت نیز مرهون استفاده از میکروسکوپ های الکترونی قدرتمندی بود که می‎توانست ابعاد نانومتری را به نمایش بگذارد [1]. 

شکل 1: پدیده مشابه در پای انواع مارمولک ها

شکل2: رمز حرکت مارمولک ها روی دیوار در پاهای آن ها است [3]. 

شکل3: ساختار ریز پاهای مارمولک‎ها

نیروی واندروالس یک نیروی جاذبه یا دافعه الکترومغناطیسی ضعیف است که بین مولکول های خنثای نزدیک به هم وجود دارد. با این حال ارتباط بین این نیرو در مقیاس مولکولی و چسبندگی پاهای مارمولک غیرقابل قبول به نظر می‎رسد [3]. 

بررسی انجام شده با میکروسکوپ الکترونی روی پاهای یک گکوی توکای(در آسیای جنوبی یافت می‎شود) نشان می‎دهد که نزدیک به پانصد هزار موی(ستا) برجسته روی پای مارمولک قرار دارد. هر مو حدود 100 میکرومتر (دو برابر قطر موی انسان) طول دارد و 400 تا 1000 رشته ظریف با برجستگی انتهایی(اسپاتول) روی آن است. به خاطر این ساختار سلسله مراتبی، فاصله بین مولکول های سطحی و موها خیلی نزدیکتر به هم می‎شود و نیروهای واندروالس عمل می‎کند. هر چند نیروی ایجاد شده با هر موی واحد اندک است اما تجمع نیروها از هزاران رشته مو به اندازه کافی قدرتمند می‎شود. محاسبات انجام شده نشان می‎دهد که یک پای گکوی 100 نیوتن نیروی چسبندگی ایجاد می‎کند. از سویی نیروی ایجاد شده تک رشته ای می‎تواند وزن یک مورچه را تحمل کند و با یک میلیون رشته با مساحتی کمتر از یک سکه 196 نیوتن نیروی چسبندگی ایجاد می‎شود. در واقع یک گکو می‎تواند بدنش را با یک بند انگشت هم نگه دارد. پای گکو هم خصوصیت خود تمیز شوندگی و ضد خوردگی نیز دارد و همیشه تمیز است. این به خاطر عدم تعادل نیروهای چسبندگی یک ذره آلوده از رشته موهای مجاور است [3]. 

ایده نوار چسب های گکو از مکانیزم استفاده شده در پای مارمولک الهام گرفته شده است تا بتواند حرکت روی سطوح صاف و سقف‎های شیشه‎ای را ممکن کند. چسب گکو خودتمیز شونده می باشد و بارها چسبیده و جدا می‎شود. چسب گکو فیلمی با آرایه‎های فشرده‎ای از میله‎های منعطف پلی ایمیدی است که با روش لیتوگرافی پرتو الکترونی و حکاکی پلاسمای اکسیژن آماده می شود. این رشته‎ها به اندازه‎ای ظریف و فشرده هستند که نیروی چسبندگی گکو را به همان حد ایجاد کنند. موهای نوار چسب گکو 2000 نانومتر طول و 200 نانومتر قطر دارند و به سطحی منعطف چسبیده است. یک سانتیمتر مربع از نوار گکو حدود 100 میلیون از این رشته موها دارد و می‎تواند وزن یک کیلوگرم را روی صاف ترین سطوح تحمل کند. این چسب مواد شیمیایی مضر چسب های معمول را ندارد. این نوار باید از کنار کشیده شود تا جدا شود. کاربرد چنین نواری می‎تواند در کاربردهای رباتیک باشد. با این حال در مرحله کنونی فرایند ساخت نوار چسب گکو آنقدر طولانی و پرهزینه می باشد که فعلاً تجاری نیست. کاربردهایی که برای این چسب ها در نظر گرفته شده است،گیره‎ها و بخیه‎های جراحی، ابزارهای ایمنی برای صخره نوردی، بندهای یک طرفه نایلونی، بانداژهای ساده‎تر و دستکش های چسبنده برای دروازه بان‎ها و... می باشد [6]. 

شکل 4: نوار چسب گکو

شکل 5: تصویر میکروسکوپ الکترونی پویشی موهای پلی ایمیدی میکرومتری شبیه به موهای پای گکو.

سوسک‎ها و مگس‎ها نیز نانوساختارهایی دارند که به آن ها کمک می‎کند تا به دیوارها و سقف‎ها و چیزهایی که به ظاهر صافند بچسبند. در تغییر ابعاد موجود شکل این پاها تغییر می‎کند. 

شکل6: شکل ستا و اسپاتول در سوسک، مگس، عنکبوت و گکو و تغییر آن ها 

در زمان برداشتن پاهای مارمولک باید پاها را از دیوار بکند و این کار با لوله کردن ستاها به داخل انجام می‎‎شود [3]. 

آبدزدک های گرایدای حشرات کوچکی حدود یک سانتیمتر هستند که به طور معمول روی سطح آب برکه‎ها، یا آب های ساکن دیده می‎شوند. شبیه به سایر حشرات آن ها هم 6 پای متصل به هم دارند که از شمار زیادی ستا تشکیل شده است. آبدزدک روی آب اسکی هم می رود و بدون آنکه پاهای آن در آب فرو برود و خیس بشود این کار را انجام می‎دهد. در اثر راه رفتن آبدزدک سکون آب به هم نمی‎خورد. این مساله نیز مدت هاست که دانشمندان را به تفکر واداشته است. در گذشته دانشمندان علت این رخداد را کشش سطحی ناشی از انحنای سطوح آزاد می‎دانستند. 

در سال 2004 این حقیقت مشخص شد که ساختار میکرو و نانومتری پاها در خواص ضد آب آن ها تاثیر بالایی دارد. ساختار پاهای آبدزدک ها طوری است که می‎توانند روی آب راه بروند. پنج علت برای رخ دادن این اتفاق وجود دارد؛ مساحت سطح، نیروهای گرانشی، نیروهای سطحی(نیروهای واندروالس) و یک سطح واکسی (آبگریز) روی پای آن ها و از همه مهم تر اینکه میکروموهای پاهای آن ها از نانوشیارهای مارپیچی تشکیل شده‎ است. سنجش مکانیکی پاها نشان داده است که حداکثر نیروی حمایت کننده یکی از پاها 15 برابر کل وزن بدن حشره است. این راهنمای خوبی برای طراحی سطوح فوق آبگریز در حرکت و وسایل آبی است [3]. 

تصاویری با کیفیت SEM نشان می‎دهد که میکروموهای سوزنی شکل پاها را پوشانده‎اند. قطر موهای انسان 80 تا 100 میکرومتر است. قطر ستا در پای آبدزدک کمتر از 3 میکرومتر است. شیارهای مارپیچ نانومتری در هر میکروستایی وجود دارند و ساختاری چند سطحی را ایجاد کرده‎اند. هوا بین فضای میروستاها و نانوشیارها محبوس شده تا بالشی از هوا را در سطح پاها ایجاد کند که اجازه ی تر شدن پاها را نمی‎دهد. بنابراین آبدزدک می‎تواند با سرعت روی آب راه برود، بدون اینکه پاهاش خیس شود و این فوق آبگریزی پاها در مقیاس ماکرو (ابعاد عینی) دیده می‎شود [3]. 

شکل7: الف) آبدزدک ایستاده روی آب؛ تصاویر SEM ، ب) میکروستاهای پا، ج) نانوشیارها، د) تصویر AFM نانوشیارهای ستا، ه) یک قطره آب روی یک پا، و) حداکثر نفوذ پاها به داخل آب

ببرسی‎ها نشان می دهد که وقتی پاها به سطح آب می‎خورد می‎تواند تا عمق 4 میلیمتری فرو برود و حجم آب دفع شده در این حالت، 300 برابر حجم خود پا است. این دافعه ی آب از نیروی پشتیبان سطحی بالای آن نشأت می گیرد و نیروی تنهای یکی از پاها کافی است تا 15 برابر وزن آبدزدک روی سطح آب را تحمل کند. این نیروی پشتیبان مطمئن ترین تضمین برای آن است که آبدزدک حتی در طوفان‎های شدید نیز می تواند آزادانه روی سطح آب حرکت کند بدون آنکه در آب فرو رود. این کشف می‎تواند در تولید مواد ضد آب پیشرفته مفید و موثر باشد [3]. 

قابلیت فوق العاده عنکبوت در چسبیدن و بالارفتن از سطوح صاف معلق بر اساس نیروهای واندروالس است. بعد از محاسبات آن ها دریافتند که نیرویی که پاها به عنکبوت می‎دهند، 170 برابر وزن بدنش است. این نیرو کمی متاثر از محیط پیرامون می باشد، به صورتی که عنکبوت می‎تواند از سطوح تر یا صاف هم عبور کند. بعد از مشاهده ی پاهای عنکبوت زیر میکروسکوپ SEM مشخص شد در این پاها نیز تعداد زیادی موی ستا وجود دارد، که روی آن ها یک لایه چندصد نانومتری (ستول Setule) قرار دارد. با این ستا و ستول‎ها، عنکبوت می تواند از سطح یک جامد بالا برود و همچنین اندازه گیری‎های بیشتر با AFM نشان داد که هر ستول می تواند 40 نانونیوتن ایجاد کند، این آنقدر زیاد است که بتواند یک عنکبوت ریز 15 میلی گرمی را جابجا کند. دانشمندان عقیده دارند این نیروی چسبندگی از تعامل واندروالسی بین ستول هایی که اتصال ضعیفی دارند و فاصله هر کدام از آن ها با هم حدود چندین نانومتر است. تجمع اثر تعامل های بسیار خرد، روی همه 8 پای عنکبوت می‎تواند به نیرویی منجر شود که در ابعاد عینی(ماکرومتری) بسیار بزرگ است[3]. این ویژگی در بدن عنکبوت و پاهای آن به پدیده ای منجر میشود که کمک می کند عنکبوت در آب خیس نشود. بر این اساس پارچه هایی ساخته شده که در آب خیس نمی شوند [4].

شکل8: نیروی چسبندگی پنهان ایجاد شده از میکروساختارها ردیف الف) تصویر SEM پاهای عنکبوت، و ب) پاهای سوسک

به جز گکو و عنکبوت چسبندگی فوق العاده در سوسک ها با سطح نیز با همان مکانیزم توجیه می‎شود. مشاهدات SEM نشان می دهد که سرهای تارهای شکمی پاهای سوسک به طور جمعی به هم می‎چسبند و خوشه‎هایی را می سازند که این خوشه‎ها به صورت ردیف ردیف مستقر شده‎اند [3]. 

بیشتر حیوانات و حشرات با نیروی بالای چسبندگی روی پاهایشان قابلیت چسبندگی را از نیروی مویینگی آب به دست آورده‎اند. با این حال گکوها، عنکبوت ها، مگس ها و برخی سوسک ها می‎توانند از سطوح عمود یا سقف ها بدون نیاز به آب بالا بروند. نوار چسب های ساخته شده با ساختار مشابه پاهای این موجودات می‎تواند بارها و بارها بچسبد و جدا شود. لباس های فضانوردان یا چسب هایی که زیر دریا است می‎تواند با این مکانیزم، حرکت آن ها را در سطوح خارجی تسهیل کند. در رباتیک نیز از این نوع چسب ها می تواند برای ساخت مارمولک های مصنوعی بهره برد [3]. 

منابـــع و مراجــــع

1.J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006.

2. A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291

3. L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.

4.NatureTech Technology, video, part 1&2&3.

5. H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.

6.Heinmann Chemistry, Bonding, surfaces and nanoparticles, pg173

خطرات نانو مواد

ذرات نانو و فناوری نانو جدای از مفید بودن می‌توانند, خطرات احتمالی نیز داشته باشند؛ بنابر این, باید مسائل مربوط به ایمنی و خطرهای احتمالی همراه با این روشهای جدید را در نظر گرفت‎.

ذرات نانو و فناوری نانو جدای از مفید بودن می‌توانند, خطرات احتمالی نیز داشته باشند؛ بنابر این, باید مسائل مربوط به ایمنی و خطرهای احتمالی همراه با این روش‎های جدید را در نظر گرفت. ذرات نانو ممکن است سرعت جهش (mutation) باکتری‎ها را افزایش دهد و تهدیدی بالقوه برای محیط زیست و سلامت انسان باشد؛ به رغم اینکه فناوری نانو محصولات موجود را مؤثرتر و کارآمدتر می‌کند، اندازه این ذرات که جزء خواص مهم آنهاست، می تواند سلامتی و محیط زیست را تهدید ‌کند. این ذرات از گرده‌های گل و گیاهان و مواد حساسیت‎زای معمولی نیز کوچکترند و حساسیت ایجاد می‎کنند. این ذرات, به سیستم دفاعی و ایمنی بدن موجودات زنده و انسان حمله می‎کنند. بعضی از این ذرات, پس از تنفس به کیسه‌های هوایی ریه‌ها آسیب می‎رسانند که در این بین, ماکروفاژها سعی می‌کنند آنها را از بین ببرند و مانع از عبور این ذرات و ورود آنها به خون شوند, ولی ماکروفاژها در تشخیص ذرات با قطر کمتر از 70 نانومتر با مشکل روبهرو می‌شوند‎ و این ذرات می‌توانند به آسانی در خون نفوذ کنند.

ضررهای نانو

آسیب‌های لباس‌های نانویی

---

یک پژوهشگر فناوری های نانو دریافته است که اگر روند رو به افزایش استفاده نانوذرات نقره در پوشاک همچنان ادامه یابد، این نانو ذرات می توانند تاثیرات زیست محیطی شدیدی به جا بگذارند.

---

ریکارد آرویدسون می گوید:

اگر هر کس سالانه یک جفت جوراب نانونقره دار بخرد، غلظت نقره در لجن نیروگاه های تصفیه آب و فاضلاب دو برابر می شود.

وی افزود: اگر این لجن به عنوان کود استفاده شود، این نقره موجب آسیب دیدگی طولانی مدت زمین های کشاروزی خواهد شد.

زمانی که لباس ها شسته می شوند نانوذرات آزاد شده و از طریق فاضلاب وارد نیروگاه های تصفیه آب می شوند. این ذرات، یونهای نقره را آزاد می کنند که در این نیروگاه ها و یا در طبیعت تجزیه نمی شوند و البته همین یونهای نقره برای بسیاری از ریزموجودات سمی هستند.

وی در پایان نامه دکتری خود شیوه نوینی برای ارزیابی خطر نانومواد ارائه کرده و همچنین این شیوه را بر روی نانوذرات خاصی مانند نانوذرات نقره آزموده است.