کارآموزی زراعت - نانوتکنولوژی و کاربرد آن درکشاورزی

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 نداد.

مجموعه این اطلاعات می باید منجر به دقت بیشتر در امر تهیه و استفاده از نانوذرات در محیط زیست شود، بطوریکه امروزه استفاده از نانوذرات منوط به عدم داشتن ضرر برای محیط زیست و بشر شده است.

نانوماشین ها

اگر چه دانشمندان وسایل و ابزار لازم برای ساختن ماشین های بزرگ را دارند ولی اطلاعات و ابزار کمی برای ساختن ماشین هایی در مقیاس نانو رادر اختیار دارند. با این حال می توان گفت که بشر هم اکنون در آستانه یادگرفتن تولید و بکار گیری نانوماشین قرار داشته واین توانایی بالقوه ممکن است نقطه آغاز یک انقلاب صنعتی دیگر گردد.

اختلافات بسیاری بین نانوماشین ها و ماشین های بزرگ وجود دارد. اما قوانین پایه که اغلب در دینامیک وجود دارد در مورد آنها صدق می کند. با  این حال ماشین های بزرگ در چهار چوب قوانین نیوتن فعالیت می کند. در حالیکه برای نانوماشین ها قانون کوانتومی صادق است. البته در هر حال مفهوم موتور تبدیل انرژی برای انجام کار برای هرد و گروه یکسان است. علاوه بر این ناپایداری حاصله از قانون کوانتومی، قوانین استاتیک و قوانین تبادل انرژی بر روی سیستم های نانویی اثر مستقیمی دارد. بعنوان مثال برخی از سیستم های نانویی در دماهای خاص غیرپایداری خاصی را نشان می دهند که کاهش این ناپایداری بسیار مشکل می باشد.

نانوماشین ها شامل هر سازه فعال در مقایس نانو می باشند که توانایی انجام کار، احساس محیط، تولیدعلامت، پزدازش اطلاعات هوشمند و رفتارهای در حد نانو رادارند. این خصوصیات ممکن است بصورت انفرادی و یا بصورت الحاقی با یک نانوماشین دیگر اعمال گردد. بنابراین ممکن است تمامی حالات فعالیت؛ احساس، پردازش اطلاعات، توانایی واکنش و تاثیر مواد در مقیاس نانو در این مقوله قرار گیرد.

نانو ماشین ها باید قابل کنترل نیز باشند، این کار به وسیله ابزاری که خود در حد نانو بوده و بصورت برنامه ریزی شده به اطلاعات وارده عکسا لعمل نشان دهد صورت می گیرد. به هر حال نانو ماشین ها را نمی توان به آسانی ردیابی کرد بنابراین کنترل و کار با آنها مشکل است. از این رو گسترش نانو ماشین ها مشکلات تولید و کنترل آنها را نیز به ارمغان آورده است. بنابراین علم نانوماشین ها می باید نه تنها در زمینه طراحی و ساختن، بلکه در زمینه کنترل ابزار فوق نیز فعالیت کند. در این راستا تکنیک هایی مانند میکروسکوپ الکترونی (SEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) برای فایل درک کردن نوع کنش ها در سطح نانو مورد استفاده قرار می گیرد.

نانوبیوتکنولوژی

طبیعت تعداد بیشماری از کنش ها را در مقیاس زانو رادر خود جای داده و به کمک انها توانسته در مصرف انرژی و مواد بسیار صرفه جویی کند. بنابراین  علاقه خاصی به مهندسی شناخت ماشین هایی که در طبیعت مورد استفاده بوده است ایجاد شده است. از این رو فعالیت تحقیقاتی در زمینه نانو ماشین ها طبیعی و قابلیت انجام کارهای مختلف در حد نانو به وسیله این ماشین ها متمرکز شده است. این موتورها بدلیل بازده بسیار زیاد و توانایی مشابه سازی و وفور در طبیعت که سبب کاهش هزینه تولید انبوه آنها می شود  مورد اقبال واقع شده اند. بنابراین می توان گفت که در علوم زیستی، نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی پیوستگی زیادی دارند، بطوریکه درمجموع نانوبیوتکنولوژی نام گرفته اند. در این راستا متخصصان بیولوژی به متخصصان نانوتکنولوژی در خصوص درک و فهم ساختمان ملکول های کوچک و طراحی ماشین های کوچک کمک می کنند. کاری که حدود چهار میلیون سال در طبیعت ودر درون فضای کوچکی به نام سلول که مملو از نانو ماشین ها است اتفاق می افتد. متخصصان نانوتکنولوژی با استفاده از قدرت خارق العاده ملکول های بیولوژی و فعالیت های سلولی می توانند با اهداف خود دست یابند، کاری که با روش های دیگر بسیار مشکل و یا ناممکن است. بنابراین نانوتکنولوژی نیز با موفقیت های نانوتکنولوژی و در راستای استفاده از ملکول های بیولوژی پیشرفت خواهد کرد.

در طبیعت نانو ماشین ها به طور طبیعی برنامه های از پیش تعیین شده را به صورت یک عمل بیولوژی در اثر تغییرات فیزیکی وشیمیایی اعمال می کند. اما در علم نانوبیوتکتولوژی سعی در ایجاد این شرایط بصورت مصنوعی به همراه کشفیات مهم در زمینه بیولوژی ملکولی باعث باز شدن افق جدیدی در گسترده ماشین های بیوملکولی و نانو ماشین ها شده است. هدف اصلی در زمینه تحقیقات ماشین های بیوملکولی بهره گیری از مواد مختلف بیولوژی که عمل انها درسطح سلولی باعث جهش، ایجاد نیرو و یا تولید یک علامت خاص شوند. برای انجام کارهای مورد نظر می باشد. البته برای دستیابی به نانوبیوتکنولوژی باید درک درستی از ترکیبات بیولوژی د اشت تا بتوان به موازات آن طراحی در سطح کلان را انجام داد. بنابراین با گردآوری اقدام به ساختن یک نانوبیوماشین نمود. بر این اساس می توان گفت که در آینده نه چندان دور تلفیق نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی به همراه فن آوری ممکن است دگرگونی عظیم فن آوری رادر تولید محصولات ایجاد کند