گزارش کارآموزی نانوتکنولوژی و کاربرد آن درکشاورزی

گزارش کارآموزی نانوتکنولوژی و کاربرد آن درکشاورزی در 25 صفحه

فناوری نانوچیست؟
نانوتکنولوژی فناوری است که از کنش ها و واکنش هایی که در سطح اتم اتفاق می افتد منشا گرفته و فناوری جدیدیست که تمام علوم را در خواهد نوردید، به تعبیر دقیق تر نانوتکنولوژی انقلابی جدید برای همه علوم در آینده است. این تکنولوژی قادر به بهبود روش های ارزیابی، مدیریت و کاهش خطرات برای محیط زیست بوده و فرصت های را برای تولید محصولات جدید فراهم خواهد ساخت. نانوتکنولوژی در واقع مهندسی در سطح اتم و یا گرو.هی از اتم ها می باشد. از همین تعریف ساده بر می آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکرد جدیدی در تمام رشته هاست.
بنابراین علم نانوتکنولوژی توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید برای در دست گرفتن کنترل در سطح مولکولی و اتمی، با استفاده از خواصی که در آن سطوح ظاهر می شوند را دارد.
البته باید در نظر داشت که ممکن است اصول و قواعد معمولی علم شیمی و فیزیک در سطوح فوق به دو دلیل قابل اعتماد نباشد.
1-  خواص ذرات کوچک یک ماده با خواص توده های بزرگ تر آن می تواند متفاوت باشد.
2- نسبت سطح به حجم در ذرات بسیار بالا می رود، و از آنجا که خصوصیات در سطوح اتمی بسیار متفاوت می باشد این امر باعث تغییر خصوصیات مواد به شکل غیر قابل پیش بینی می شود.
بعنوان مثال وقتی نقره به ذرات بسیار کوچکتر تبدیل می شود، به صورت ماده ضد میکروب عمل می کند در حالیکه در این شرایط ذرات طلا رنگ های متنوعی را از خود منعکس می کنند.
در آینده نه چندان دور علم نانوتکنولوژی بشر را قادر خواهد کرد تا ماشین هایی را بسازد که توانایی محاسبه،حرکت، احساس محیط اطراف و حتی بازسازی خود را داشته باشند. از این رو برای نانوتکنولوژی کاربردهایی را در حوزه های مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی محیط زیست، مواد، هوا فضا و امنیت ملی بر شمرده اند. سازه های نانو می توانند باعث انقلابی در علوم و در تمام سطوح، بخصوص در علم کامپیوتر، پزشکی و بهداشت، بیوتکنولوژی و کشاورزی گردند. بنابراین کاربردهای وسیع  این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن آوری را به عنوان یک زمینه فرا رشته ای و فرابخشی مطرح نموده است. با این وجود چالش های در پیش روی این علم عبارت است از توانایی تولید، بکار گیری و اندازه گیری موادی که در حد یک الی 100 نانومتر می باشند. باید در نظر داشت که هر نانو برابر است با یک هشت هزارم قطر موی انسان که تقریبا معادل قطر یک اتم اکسیژن می باشد.
هدف ازتهیه و ارائه این مجموعه آشنایی دانش آموختگان رشته های علوم کشاورزی با مبانی علم نانوتکنولوژی می باشد. در این راستا ابتدا نانوذرات، برخی از کاربردهای آنها و خطرات احتمالی کاربرد آنها در طبیعت مورد بحث قرار می گیرد. سپس نانو ماشین ها به همراه انقباض هایی که می توان از طبیعت برای ساختن و بکارگیری آنها صورت گیرد ارائه می شود. در پایان ضمن آوردن مثال های از کابرد نانوتکنولوژی در کشاورزی، ایده های برای استفاده از این علم در جهت بهبود بکارگیری نهاده های کشاورزی برای تولید محصولات سالم تر مورد اشاره قرار گرفته است.
نانوذرات
همانگونه که گفته شد نانوذرات می توانند از مواد مختلف و به اشکال متفاوتی باشند که در اینجا ما انها را به چهار دسته تقسیم می کنیم.
1- نانوذرات تولید شده از اتم کربن، اتم های کربن بدلیل ساختمان اتمی خاص می توانند ساختمان های متفاوت ملکولی را ایجاد کنند. مثلا ملکولهای bcckyball، مانند ملکولهای الماس و کرافیت، فقط از اتم های کربن تشکیل شده اند. این ملکولها دارای ساختمانی توخالی و بیضی شکل بوده و از به هم پیوستن تعداد معینی اتم کربن (مثلا 60،70،120،180) ایجاد می گردند. البته نوع شصت کربنه آنها که دارای ساختمان ملکولی مستحکم تر و بیشتر به شکل بیضی بوده در حالیکه انواع دیگر کشیده تر هستند.
2- نانو لوله ها (nano tubes) دسته دیگری از ملکولها کربنی می باشند که بسیار شبیه به گروه قبلی بوده ولی با این تفاوت که طول آنها بیشتر و انتهای آنها باز می باشند. نانولوله ها می توانند در کنار هم شبکه های مشبکی را ایجاد کنند. از این لوله ها می توان برای انتقال ملکولها به درون سلول و همینطور بعنوان یک خط کش برای اندازه گیری در حد نانو بهر چیست. این مواد در عرصه تجاری نیز قابلیت های بسیاری  دارند که از جمله بهبود کیفیت پوشش ها و طلق ها را می توان بیان کرد.
3- نانوذراتی که اساس آنها اتم های فلزات می باشد: نانوذرات طلا، نانوذرات نقره، و ذرات کوانتوم، نانوکوانتوم های فوق خاصیت نیمه هادی داشته و از کادیوم سلنیوم، سولفید کادیوم یا تلورید کادیوم با یک پوشش عایق از جنس پلیمر ساخته شده است.  اندازه نانو کوانتوم ها را می توان طوری تغییر داد که خصوصیات فیزیکی و بخصوص خصوصیات ظاهری متفاوتی را ارائه نماید. (اندازه کوچک به این معنا می باشد که حدود 70% از اتم ها در سطح ذره قرار می گیرند) پوشش پلیمری و عایق نه تنها از تاثیر سمیت کادیوم در محیط جلوگیری می کند بلکه نوع آن می تواند بنحوی طراحی شود که خصوصیت ترکیبی با ملکولهای معینی را داشته باشد در این شرایط از این نانو ذرات می توان بعنوان نشانگر استفاده نمود. یکی از کاربردهای نانوکوانتوم ها استفاده از انها در مدل های جدید دستگاه های DVD ها می باشد. در واقع این نوع دستگاهها از یک نوع نور لیزر، که در سال های اخیر کشف شده غیر ممکن بود. ولی با ساخت لیزر کوانتمی آبی این امکان بوجود آمد.
برای ردیابی آزمایشات بیولوژی استفاده از رنگ های طبیعی کاربرد فراوان دارد.با این حال به پیشرفت بشر نیاز به رنگ های متنوع تری برای درک و تشخیص دقیق تر و سریع تر نتایح احساس می گردد که از عهده رنگ های معمولی خارج است. اما بکار گیری نانو کوانتوم ها توانسته این خلع را پر کند. بعنوان مثال آزمایش حاملگی با استفاده از نانوکوانتوم ها سریع تر و با دقت بیشتر قابل تشخیص است. استفاده دیگر از نانوکوانتوم ها در سلول های خورشیدی می باشد چرا که در روش قدیمی هر فوتون از نور خورشید می تواند یک الکترون را در جریان قرار دهید حال آنکه با استفاده از نانوکوانتوم ها سه الکترون وارد مدار می گردد که باعث افزایش بازده سلول های خورشیدی می شود.
4-  نانوذرات چند شاخه ای Dendrimers
نوعی نانوپلیمر به شکل چند شاخه ای که با اضافه کردن تک اتم ها به ملکول اصلی و در انتهای هر شاخه ساخته می شوند، به طوریکه شاخه های متعددی در مجموع تولید می شود. بنابراین هر ملکول شامل تعداد زیادی شاخه، که هر کدام ممکن است به یک بخش انتهایی با خاصیت شیمیایی خاص منتهی گردد می شود. این خصوصیات می تواند در انجام عمل کاتالیزوری و یا انجام هر مرحله ای واکنش ها شیمیایی کاربرد داشته باشند. علاوه بر این بخاطر داشتن فضای خالی در بین این رشته ها، ملکول های دیگری نیز می توانند در این فضاها جای گیرند که به عنوان مثال می تواند برای انتقال دارو در بدن مناسب باشند. در این راستا از نانوذرات فوق برای انتقال دارو و کنترل سرطان استفاده زیادی می شود.
5-نانوذرات ترکیبی(composites): در این حالت یک نانو ذرات با سایر نانو ذرات و یا ترکیبات درشت تر ترکیب می شوند. به عنوان مثال نانوذراتی مانند نانورس ها با همدیگر ممزوج شده تا قابلیت مکانیکی، گرمایی، مقاومت و خاصیت کششی خاصی را ایجاد کنند. این خصوصیات باعث تولید موادی با قابلیت جدید الکتریکی، شیمیایی، مکانیکی، کاتالیزوری و مغناطیسی شده به نحوی که از لحاظ پزشکی، اقتصادی، نظامی، محیط زیست بسیار حائز اهمیت می باشد. یکی از موارد استفاده از این نانو ذرات بکارگیری انها در حس گرهای بویایی می باشد. این نانوحسگرها در واقع بینی های الکتریکی (E-nose) هستند که نقش بینی های انسان را ایفا می کند.
بخش اصلی بین الکتریکی قسمت حس گرهای گازی می باشد که بوها را درک می کند  این سیستم از تجزیه و تحلیل عکس العمل ها در یک سری از نانوذرات برای تشخیص و متمایز ساختن بوی های موجود در هوا استفاده می کند. این حس گرها در واقع از نانوذرات (بعنوان مثال اکسید روی) که در مقابل عبور برخی از گازها مقاومتشان تغییر می کند، تشکیل شده اند.مزیت های استفاده از نانوذرات در واقع این است که سطح تماس را برای این نوع ارزیابی بیشتر می نماید. تغییر مقاومت الکتریکی در واقع باعث ایجاد تغییر جریان الکتریکی به طور اختصاصی برای هر بو شده که برای شناختن نوع کمیت، و کیفت بوها استفاده می شود. هدف اصلی از استفاده از بینی های الکتریکی تشخیص عطرها، براورد غلظت و یافتن خصوصیات و ویژگیهایی از بوها است که برای بینی انسان قابل درک  نمی باشد.
از انجا که هر روزه  خصوصیات و ترکیبات جدیدی از نانوذرات یافت می شود به همان نسبت کاربرد آنها نیز نیز بیشتر می شود. بطوریکه پیش بینی می گرد که در آند فروش نانو ذرات در سال 215 به حدود یک تریلون دلار برسد.
اثرات نامطلوب نانوذرات
هنوز اطلاعات کمی در خصوص اثرات نامطلوب نانوذرات بر روی محیط زیست وجود دارد. اینکه نانوذرات چگونه در هوا، آب و خاک پراکنده می شوند و چه اثرات نامطلوبی بر روی چرخه غذایی می تواند داشته باشند هنوز کاملا روشن نیست. بنابراین یکی از نیازهای تحقیقاتی این جنبه از اثرات نانوذرات و نانوتیوپ ها می باشد. با این حال می توان گفت که بدلیل اندازه کوچک نانوذرات احتمال پراکندگی و نیز نفوذ در درون بافت ها بیشتر است لذا نانوذرات می توانند به مراتب خطرات آلودگی بیشتر و گسترده تری را برای محیط زیست به همراه داشته باشند. در سال 2003 محققین دریافتند که بدلیل اندازه کوچک نانوسموم، قدرت نفوذ آنها به  درون بافت های محافظت کننده پوست، خون و مغز زیاد بوده و در نتیجه سمیت آنها بالاتر می باشد. تحقیقات نشان داد که اثر نانوکربن بر روی ماهی های سبب تخریب مغز و مرگ زود هنگام می گردد. علاوه بر این تحقیقات نشان داده که حرکت نانو ذرات در درون خاک می تواند به طور غیرمنتظره بوده و مواد دیگری را نیز با خود حمل کند.
نانوذرات اکسید آلومینیوم که اغلب در همه جا از کاتالیستهای زیست محیطی تا کرم های ضد آفتاب یافت می شوند می تواند اثر محدود کننده را بر روی رشد ریشه گیاهان داشته باشد. اگر چه نتایج اولیه لزوم وجود غلظت های بسیار بالا را برای بروز اثرات این چنینی نشان می دهد. این تحقیق از جمله تحقیقات  اولیه در زمینه اثرات نامطلوب نانوذرات بر روی محیط زیست و گیاهان می باشد. نانوذرات ممکن است به درون آب وارد شده و یا در فضا بصورت ذرات  ناخواسته منتشر گردند. همچنین محققین در خصوص اثرات غلظت های مختلف نانوذرات فوق بر روی پنج گیاه کلم، هویج، ذرت، خیار و سویا آزمایشاتی را انجام داده اند. ذرات فوق که هر کدام در حدود 13 نانومتر قطر داشتند تقریبا به اندازه نانو ذراتی بودند که به طور تجاری در بازار وجود دارد. غلظت دو میلیگرم بر لیتر سبب کاهش معنی دار رشد ریشه شده است. در حالیکه در غلظت های پایین تر اثر نامطلوبی مشاهده نگردید. آنها همچنین اثرات اکسید تدیوم، اکسید سیلکون با ابعاد مشابه را نیز مورد بررسی قرار داده و مشاهده کردند که اکسید سیلیکون اثر نامطلوب ندارد در حالیکه اکسید تیتانیوم هیچ گونه اثر سوئی را نشان
محلول تثبیت کننده شن با کمک فناوری نانو
در گذشته برای تثبیت شن های روان و انجام فرایند بیابان زدایی از مالچ نفتی استفاده می شد. این ماده بسیار سمی بوده و مانع رشد گیاه می گردد. محلول پلیمری جدیدی مبتنی بر فناوری نانو توسط یک شرکت داخلی ساخته شده که می تواند جایگزین روش قبلی تثبیت شن های روان گردد. این محلول پلیمری حاوی 90% آب و 10% پلیمر طبیعی پلی لاتیس است و بر خلاف ماده قبلی مانع رشد گیاه در شن نمی شود. این محلول حاوی نانوذرات محصور شده درداخل نانوکوپل های بیوپلیمری است. این ذرات که بر روی شن اسپری می شوند در آن نفوذ کرده و یک شبکه بیوپلیمری ایجاد می کنند. این شبکه ذرات میکرومتری،ماکرومتری و نانومتری شن را درگیر واکنش کرده و جاذب رطوبت خوبی برای رشد گیاهان محسوب می شود. همچنین نسبت به دمای بالا و باد نیز مقاومت بسیار  مناسبی دارد. در غرفه آموزش عمومی برای نشان دادن این محصول تپه شنی ساخته شده بود که نیمی از آن بوسیله محلول اسپری شده و نیم دیگر تثبیت نشده بود.
خاکهای مصنوعی (هیدروژل های نانوساختار سوپر جاذب آب)
این محصول در واقع یک هیدروژل پلیمری پودری شکل است که با جذب متورم می شود. این ماده به علت دارا بودن حفرات نانومتری سطح بالایی داشته و می تواند بیشتر از 110 برابر حجم خود آب جذب کند.ژل درحالت خاک تزئینی،  با مواد مورد نیاز برای رشد گیاه غنی شده و در رنگ های مختلف به عنوان خاک عرضه می گردد. در حالت غیرتزئینی ژل کمک به رشد گیاه در مناطق بیابانی و خشک است. برای این منظور مقداری از این ژل را در کنار بذر قرار می دهند تا ابتدا از طریق جذب آب از خاک های اطراف آب موردنیاز را فراهم نموده و سپس تا مدتی طولانی این آب را حفظ کند.
گزارش جدید مبنی بر نانوتکنولوژی در کشاورزی و مواد غذایی:
کاربرد، مزایا و عوامل خطرناک (ضرر و زیان):
واشینگتن: از نانوتکنولوژی تشکر به عمل آمده است. سازمان مواد غذایی و در کل تغذیه امروز توسط شکل گیری مولکول و اتم طراحی شده است. غذاها به صورتی سالم بسته بندی می شود و مواد آلوده کننده زیان آور نیز تشخیص داده می شوند. تولیدات بعدی نیز در آینده گسترش یافته است و رنگ، بو، محتوی مواد معدنی مطابق با ذائقه بشر و استاندارد های سازمان یافته می باشند. در کشاورزی نانوتکنولوژی مصرف آفت کش ها را کاهش داده است. از این رو نژاد و جانوری اصلاح شده است و فراورده های نانو – زیستی صنعتی جدید تهیه شده است.
مشاهده Helmut براور نموده است که بازاریابی مواد غذایی نانو به سرعت در حال رشد و پیشرفت است و به 20 میلیون دلار تا سال 2010 می رسد که تقریبا 3 برابر اندازه فعلی آن است. تحقیق کنونی که توسط cientiaca انجام شده است. گویای آن می باشد که نانوتکنولوژی در حال حاضر در صنایع کاربرد فراوانی دارد و تعداد زیادی از شرکتهای تجاری بزرگ مثل Heinz,kraft,nestle,alutiaو unilever در توسعه و تحقیق نانوتکنولوژی دخالت دارند. دولت آمریکا در این زمینه به عنوان بخشی از بودجه تحقیق در مورد نانوتکنولوژی سالانه تا 120 میلیون دلار سرمایه گذاری می کند و گزارش جدید از نانوتکنولوژی در صنایع غذایی و کشاورزی گویای این امر است. برای اولین بار داده های موجود مورد تجزیه و تحلیل واقع شدند که مبنی بر تعیین بودجه تحقیق در زمینه نانوتکنولوژی است و با داده های گرفته شده از دولت آمریکا و سازمان trademan تکمیل می شود. این گزارش نوشته شده توسط پیتر و جنیفر در چارچوب زمانی را برای تحقیق در مورد نانوتکنولوژی و کاربرد آن در کشاورزی و صنایع غذایی مشخص می کند  و باید نگرش اجمالی به مزیت و معایب آن داشت  و در مورد بخشهای احتمالی نیاز به تحقیق در مورد امنیت ، سالم سازی و عوامل محیطی باید توجه بیشتری نمود. کار آنها سبب شد تا پایگاه داده هایی بوجود آید که همیشه در دسترس و قابل تحقیق می باشد.
مواد غذایی که امروزه به روش نانوتکنولوژی تهیه می شوند شامل انواع روغنهای جدیدی هستند که مانع جذب کلسترول در رگ های خونی می شوند و ریشه بستنی شکلاتی دارای طعم بهتری است و مقوی تر از ریشه های معمولی است و خواص بذر معمولی اجزای سازنده جدید 100.000 بار کوچکتر از یک دانه شن می باشد. و مواد جدیدی به آفت کش ها افزوده می شود در نتیجه فرمول هایی در نظر گرفته شده است وبرای مخالفت از جدا شدن اجزای سازنده که با هم برای بیش از یک سال نگهداری می شوند هر 2 ساعت یکبار تکان داده می شوند. تعداد محصولات غذایی نانوتکنولوژی که اخیرا کمتر است و این گفته دیوید ریجسکی مسئول پروژه است: ولی میلیون هادی  از لحاظ جهانی توسط دولت و صنعت بکار رفته در نانوتکنولوژی در بخشهایی چون فرایند تهیه مواد غذایی، سالم سازی و بسته بندی و تولید کشاورزی صرف می شود و الان وقت آن رسیده است که سوالاتی مرتبط با این موضوع مطرح شود. آیا محصولات غذایی که از طریق نانومهندسی شده است در بازاریابی سال بعد یا 2 سال بعد کاربرد دارد.مزیت و عوامل زیانبار آن چه چیزهایی هستند؟ و چه کسی تاثیرگذار است؟ چطور می توان در مشتریان انگیزه ایجاد نمود؟