میکروسکوپ نیروی اتمی

همانگونه که در پیش گفتار این کتاب گفته شد از دید فیزیکی تمام جنبه های میکرو و نانوی پدیده ها ناشی از نیروهای میان اتمی شناخته شده هستند. همچنین به لحاظ نظری هر ساختار اتمی مولکولی که از قوانین بنیادی فیزیک و شیمی پیروی می کند، امکان پذیر است. از جمله این پدیده ها، اصطکاک است. پرسشی که در ذهن شکل می گیرداین است که چرا با وجود مفهوم نیرو در زمان نیوتن و همچنین شناخت نیروهای میان اتمی در آغاز سده بیستم و فرمول بندی  نظریه مکانیک کوانتمی، تا یکی دو دهه پیش مطالعات و بررسی های جدی روی اصطکاک در ابعاد نانو صورت نگرفته است. پاسخ را دستگاههای جدید که تولدشان را وام دار پیشرفت های همه جانبه دانش کامپیوتری و نیز صنعت الکترونیک هستند بشر را توانا به اندازه گیری ها و مشاهدات اتمی ساخته اند. امروزه میکروسکوپ های گوناگونی با ساز و کارهای گوناگون در خدمت علوم و مهندسی قرار گرفته اند. یکی از رایج ترین آنها میکروسکوپ نیروی اتمی است که توانا به اندازه گیری (مشاهده نامستقیم) طول های نانومتری و کمتر از آن است. این میکروسکوپ، دارای اجزای اصلی "انبرک و نوک" است.

جنس انبرک معمولا از سیلیسیم و جنس نوک معمولا از الماس( شامل تعدادی اتم کربن) است. برای اینکه میکروسکوپ نیروی اتمی بتواند برجستگی ها و فرورفتگی ها را در ابعاد نانومتر حس کند لازم است نوک انبرک ظرافت اتمی داشته باشد. از آنجا که تصاویر مربوط به اندازه های اتمی روی یک سطح با چشم نامسلح دیدنی نیست، به کمک ابزارهای پیشرفته، حرکات عرضی لمس شده توسط انبرک و نوک میکروسکوپ را به تصاویر ویدیویی تبدیل می کنند تا امکانن دیدن آرایش اتم های سطح، در صفحه کامپیوتر امکان پذیر باشد. کل فرآیند "جاروب کردن سطح" به وسیله همان انبرک نوک دار صورت می گیرد. انبرک به راحتی در پستی و بلندی ها بالا و  پایین می رود و نوک آن هم به بخشی متصل است که به جابجایی عرض انبرک بسیار حساس است و تغییر فاصله ها را ثبت کرده و به نشانه هایی تبدیل می کند که برای کامپیوتر فهمیدنی باشد. نشانه های گفته شده سیگنال نام دارند و توسط کامپیوتر فهمیدنی باشد. نشانه های گفته شده سیگنال نام دارند و توسط کامپیوتر پردازش می شوند تا چگونگی قرارگیری اتم ها در کنار هم، روی صفحه نمایشگر، نشان داده شود.

این نوع دیدن توسط کامپیوتر را دیدن نامستقیم می گوییم. در میکروسکوپ های نوری معمولی آزمایشگاه های زیست شناسی، دیدن مستقیم است. شکل زیر نمونه ای از سطحی با سه نوع اتم را که توسط میکروسکوپ نیروی اتمی تهیه شده است را نشان می دهد.کره های آّبی اتم های قلع، سبز اتم های سرب  و کره های قرمز (کوچک) اتم های سیلیکون هستند. پرسش مطرح این است که چگونه سه گونه اتم مختلف در این شکل توسط نوک میکروسکوپ تمیز داده شده اند.چون نیروی میان اتم های گوناگون، متفاوت است( از نظر فیزیک کوآنتمی، ساختار الکترونی اتمها متفاوت است) روشن است که نیروی میان اتم های گوناگون با نوک و تصویر آشکار شده در آشکارساز متفاوت خواهد بود.

شبیه سازی اصطکاک در مقیاس نانو

اکنون تصور کنیم نوک میکروسکوپ نیروی اتمی را در نزدیکی سطح روی آن حرکت دهیم.کل سطح به اتم های نوک، نیرویی وارد می کند که بسته به فاصله تا سطح می تواند ربایشی یا رانشی باشد. در بعضی فاصله ها، نیروها جلوی حرکت نوک روی سطح را می گیرند. این نیروی سطح بر اتم های نوک، تجلی نیروی اصطکاک در ابعاد اتمی و نانومتری است. امروزه با پیدایش نسل های نوین میکروسکوپهای نیروی اتمی و طراحی های بسیار حساس فنرهای خاص روی انبرک ها، دانشمندان توانا به اندازه گیری این نیروها هستند.

مرتبه بزرگی این نیروها، نانونیوتن است و منشا عمده آنها برهم کنش های اتمی واندروالسی میان اتم های سطح و نوک است. توجه کنیم که از نظر فیزیک کلاسیک( جایی که مکان الکترون مشخص است) نیروهای میان اتمی معنادار هستند ولی از دید فیزیک کوانتمی (جایی که الکترون محل مشخصی ندارد) نیروهای میان اتمی به گونه ای دیگر تعبیر می شوند(هم پوشانی ابر الکترونی پیرامون اتم ها).

شبیه سازی کامپیوتری به عنوان آزمایشگاهی مجازی در دو دهه گذشته ساده تر از آزمایش واقعی توانا به بررسی های نتایج این نیروهای میان اتمی هستند. شکل زیر نشان می دهد که نوک در چه فواصلی نیروی رانشی  و در چه فواصلی نیروی کششی از سطح زیرین دریافت می کند.

نویسنده: مهدی نیک عمل

سیستم ایمنى نقش محافظت و مبارزه با سلول ها و میکروب هاى تخریب کننده را در بدن ایفا مى کند. با این حال شرایط عملکردى این سیستم در فضا بسیار متفاوت است. در اواخر دهه 60 و 70 میلادى، محققان با بررسى خون فضانوردانى که حضور طولانى مدت و حتى کوتاه در فضا داشته و در ماموریت هاى آپولو، سایوز و اسکاى لب فعالیتنموده بودند، متوجه افزایش تعداد نوعى از سلول هاى سفید و کاهش تعداد سلول هاى لنفاوى خون شدند.

سلول هاى لنفاوى نوعى سلول سفید است که در گره هاى لنف بدن، طحال، غده تیموس، دیواره هاى روده و مغز استخوان وجود دارد.

سلول هاى لنفاوى از نوع تى و پادتن ها، باعث بالا بردن ایمنى بدن شده و به انواع سلول هاى کمک رسان، محافظ و از بین رونده تفکیکمى شوند. آزمایش روى خون فضانوردان کاهش تعداد سلول هاى موثرلنفاوى و افزایش سلول هاى سفید خون را نشان داد. این تغییر باعث نقص در توزیع و پخش مایعات بدن از جمله خون و سبب تنش و حتى تغییر شکل در سلول هاى لنفاوى شد.

فرض کنید که قصد مسافرت از تهران به یکى از شهرهاى جنوبى کشور را داشته باشید. در طول این مسیر پاها، دست ها و چشم ها در گیر هستند و به طور حتم خستگى در آن بخش ها احساس مى شود. حال اگر این سفر با هواپیما و در مسیری نه چندان دور مانند فرانسه باشد، در این سفر با یک سرى امواج تابشى مواجه خواهیم شد. در سفر به فضا اولین عامل بسیار محسوس، کمبود جاذبه است. در شکل زیر انواع امواج تابشى که به بدن یک فضانورد اصابت مى کند نشان داده شده است.

این سفر را تا جایى ادامه مى دهیم که به سیاره سرخ، مریخ برسیم. جاذبه کم، اصابت امواج تابشى، شش ماه مسافرت بدون توقف و پیمودن میلیون ها کیلومتر، از هیجان های این سفر مى کاهد. ماهیچه هاى خشک، چروک و تضعیف شده، استخوان هاى ناتوان و رو به زوال، اختلال در سیستم ا یمنى، تغییر شکل در ساختار ژن بدن متاسفانه از جمله یادگارهاى سفرهاى فضایى و طولانى مدت است.

 هنگام پیاده شدن از فضاپیما، رویارویى با ضعف ماهیچه ها که منجر به خزیدگى مى شود بسیار دردناک است، فعالیت هاى روزانه در فضا بسیار متفاوت با زمین است. به طور مثال براى نظافت دندان ها از غلطکى کوچک از جنس کتان استفاده مى شود.

بعد از استعمال، ویروس هاى موجود در بزاق روى آن جمع مى شود. بزاق انسان حاوى ویروس هایى است که تعداد آنان در فضا بسیار بیشتر از زمین است. شکل زیر باکترى نامفید روى مرى که سبب اختلال شده است را نشان مى دهد.

بدن انسان به طور دائم مورد حمله انواع باکترى ها و ویروس ها قرار مى گیرد. محل حضور بسیارى از آن ها روده است و از طریق هوا و یا استفاده از مواد خوراکى منتشر مى شود. باکترى و ویروس هاى مضر توسط سیستم دفاعى بدن مهار مى شوند و قبل از این که تعدادشان از کنترل خارج شود، به وسیله ی سیستم دفاعى بدن از بین می روند.

سیستم دفاعى بدن شامل سلول هایى است که دائما با بیمارى و مرض مقابله نموده و در تمام بدن حرکت مینمایند. انواع مختلفى از این سلول هاى دفاعى وجود دارد. دو نوع معروف و مهم آن سلول بى، سلولى که آنتى بادى را به منظور مهار میکروب مى سازد و تمامى مهاجمان آسیب رسان را از بین مىب رد. سلول هاى تى شکل، که در واقع سربازان بدن هستند و به طور فیزیکى عوامل بیماری زا را از بین مى برند. شکل زیر، سلول تى شکل را نشان مى دهد که با وارد نمودن ضربه به ویروس آنفلوآنزا باعث از بین بردن آن شده است.

به طور مثال استرس و تنش باعث آزادشدن هورمونى مى شود که در عملکرد سلول تى بسیار موثر است و منجر به کاهش فعالیت سیستم ایمنى مى شود. بنابراین فضا که خود محیطى خشن و تنش زا است و علاوه بر آن، اعمال تنش هاى فیزیکى چون مرحله شروع پرتاب و بلندشدن از زمین، عبور از جو و قرارگیرى در مدار و سپس بى وزنى و همچنین تنش هاى روحى- روانى سبب تحریک هورمون هاى ضد سیستم ایمنى مى شوند.

براى حل این گونه مسائل و مشکلات و همچنین بررسى چگونگى رشد سلول ها در محیطى خارج از بدن انسان تحقیقات گستردها ى انجام و باعث ساخت وسیله اى به نام بیوراکتور شد. مطالعه وضعیت سلول ها در بدن انسان و یا حتى کشت سلول ها، امکان مطالعه ساختار سلول ها را در حالت دو بعدى مقدور مى سازد و شاید نتایج دقیق و مکفى ارائه

ندهد. ناسا با ساخت و تولید این فناورى نوعى شبیه سازى از جاذبه کم را فراهم آورد که در این محیط، مطالعه پیرامون سلول ها و به ویژه تحقیق در سلول هاى ایمنى خون را راحت تر و دقیقتر نمود.

کاربردهای نانو در پزشکی

در
پزشکی و زیست‌شناسی، ویژگی‌های منحصر به فرد نانومواد به منظورهای مختلفی
به کار گرفته می‌شوند. واژه‌هایی نظیر نانوتکنولوژی زیست‌داروها،‌
بیونانوتکنولوژی و نانوپزشکی برای توصیف این دانش تلفیقی به‌کار می‌روند.ادامه مطلب...

نانوتکنولوژی و درمان سرطان

امروزه
نانوتکنولوژی این امکان را برای پزشکان بوجود آورده است که در مراحل
ابتدایی سرطان را شناسایی کنند و در مقیاس ملکولی و سلولی به مطالعه هر چه
دقیق‌تر و سریع‌تر سلول‌های سالم و سرطانی بپردازند.ادامه مطلب...

آیا می‌دانید لیپوزوم‌ها با وجود ساختار ساده‌اشان دارای چه کاربرد‌های مهمی هستند؟

لیپوزوم‌ها درواقع وزیکول‌های لیپیدی ساده‌ای هستند که از مولکول‌های فسفولیپیدی تشکیل شده‌اند و شامل یک هسته‌ی آبی هستند که در میان یک یا تعداد بیشتری لایه‌ی فسفولیپیدی احاطه شده است. 

مولکول‌های فسفولیپیدی - که از گروه چربی‌ها هستند - از دو بخش «آب‌دوست» (Hydrophilic) و آب‌گریز (Hydrophobic) تشکیل شده‌اند:

• دم: یک ساختار غیرقطبی بلند و آب‌گریز، متشکل از دو زنجیره‌ی هیدروکربنی‌‌ (Hydrocarbon) (یک رنجیره‌ی اشباع و یک زنجیره‌ی غیراشباع)

• سر: ساختار قطبی و آب‌دوست (متشکل از گروه گلیسرول، گروه فسفات و گروه کولین)