شکل (3) رشد نانولولههای کربنی از هستههای نيکلی به صورت عمودی. در شکل سمت راست رشد متراکمی از نانوساختارهای کربنی به صورت عمودی مشاهده میگردد. دانهبندی اوليه عنصر کاتاليزور (نيکل) اهميت بالايی در اين رشد همگون دارد.
در شکل (3) رشد نانولولههای کربنی به صورت تقريباً عمودی و حجيم ديده میشود که در حضور پلاسما و با چگال توانی در حدود mW/cm2 10 حاصل شده است. در بسياری از موارد نياز به چنين رشد متراکمی داريم که از موارد مهم آن نمايشگرهای گسيل الکترونی از نوکهای تيز نانولولههای کربنی میباشد. اينگونه ساختارها با توجه به شکل بسيار تيز خود امکان خروج الکترون با اعمال ولتاژهای پايين را مهيا میسازند. گسيل الکترونی از نوک لولهها در اثر اعمال ولتاژ به آنها کاربردهای متعدد ديگری از جمله در ساخت اشعههای الکترونی متمرکز[ 1و2 ]و فرآيند ليتوگرافي دارد.
نانوساختارهای گسيل الکترون
پس از رشددادن نانولولهها، با استفاده از روش انباشت بخار شيميايي (CVD)، اکسيد تيتانيوم را به صورت بخار شيميايی و در فشار اتمسفری بر روي آنها لايهنشاني ميکنيم. اين مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهميت بالايی برخوردار میباشد. اين مرحله در همپوشاني نانوساختارها از اهميت بالايي برخوردار ميباشد. چرا كه به نانوساختارهاي نيمهتوخالی و به صورت لولهای امكان تحقق ميدهد. سپس با استفاده از روش لايهنشاني با تبخير به کمک باريکة الکتروني، لايهاي به ضخامت 1 ميکرومتر از فلز کروم روي آن مينشانيم. اين لايه نشانی برای ايجاد گيتهای کنترلکننده برای ترانزيستورها و نيز بعنوان لنزهای الکتروستاتيکی در حالت ليتوگرافی مورد استفاده قرار میگيرد.
براي آشکار شدن نوک نانولولهها، از روش زدايش مکانيکي_شيميايی استفاده ميکنيم. در مرحلة بعدي با استفاده از تکنيک plasma-ashing نوک نانولولهها را باز ميکنيم. استفاده از گاز حاوی اکسيژن در اين مرحله نقش اساسی دارد، چرا که بدون صدمهزدن به ساختارهای محافظتکننده، فقط نانوساختارهای کربنی را بسوزاند تا بهتدريج از ارتفاع نانولولهها کاسته شده، به شکل مناسب دست يابيم.
شکل 4 نحوة عملکرد و شمای اين ساختار را نشان ميدهد. بدين ترتيب نانولولهها براي گسيل الکتروني آماده ميشوند. با اعمال ولتاژ مناسب بين نانوساختارهای کربنی از يک طرف و صفحه مقابل که نقش آند را بازی میکند از طرف ديگر، جريان الکترونها آشکار شده و ميزان اين جريان به وسيله ولتاژ بر روی گيت کاهش میيابد. قسمت ديگر شکل 4، تصوير ميکروسکوپ الکتروني از ساختار کامل شده نانولولهها را نشان ميدهد. با توجه به انجام مرحله پوليش مکانيکی – پلاسمايی، برخی از نانولولهها که از شرايط مناسبی از نظر ارتفاع و قطر برخوردار نيستند عملا در ارسال جريان الکتريکی نقشی ندارند.
شکل (4) نماي شماتيک يک نانوساختار کربنی و استفاده آن در ساخت ساتع کننده الکترونی. توضيح بيشتر در متن آورده شده است. در تصوير مقابل نمايشی از تصوير ميکروسکوپ الکترونی مربوط به مجموعهای از اين ساتع کنندههای الکترونی مشاهده می گردد.
صفحه آند که معمولاً از جنس ويفر سيليکوني میباشد در فاصله مناسب از بستر توليدکننده الکترون قرار میگيرد. در شکلهای زير رفتار الکتريکی مجموعهای از نانوساختارهای کربنی به نمايش گذارده شده است که حاکی از عملکرد مناسب اين مجموعه میباشد.
ساختارهای نانومتری که در اين مقطع محقق شدهاند قابليت انجام ليتوگرافی در ابعاد نانومتری را نيز دارند. در شکلهای زير برخی از نتايج اين تحقيق آورده شده است که حاکی از موفقيت اين تکنيک در شکلدهی با ابعاد بسيار کوچک میباشد. برای اين منظور بستر حاوی نانولولهها را در فاصله 100 ميکرومتري از لايه حساسي که روي بستر سيليکون نشانده شده است، قرار ميدهيم. سپس بعد از اعمال ولتاژي حدود 100-80 ولت بين صفحه بالايي و پشت بستر نانولولهها، آنها را نسبت به هم به حرکت در ميآوريم. اتصال ديگري بر روي فلز
شکل (5) نمايش رفتار الکترونيکی نانوساختارهای کربنی با پوشش دولايه از جنس اکسيد تيتانيوم و فلز. شکل چپ نشاندهنده جريان آشکار شده در طرف آند با توجه به ولتاژهای آند-کاتد. شکل راست نشاندهنده جريان آشکار شده در آند و کنترل آن توسط گيت ترانزيستور میباشد.
شکل (6) :تاثير پرتو الکتروني گسيل شده روي مادهي حساس پليمري به همراه حرکت خطي که توسط سيستم مکانيکي ايجاد شده است.
کاربردهاي ابتکاري تا بازاريابي ميـکرو و نـانـوسـيـسـتـمهـا
امروزه هر فردي که در زمينه علوم خرد (در مقياس کوچک) فعاليت ميکند ميداند که دو شيوه براي طراحي ميکرو و نانوسيستمها وجود دارد: يکي از بالا به پايين و ديگري از پايين به بالا. هر دو روش در آغاز براي ميکروالکترونيک ايجاد شدند، ولي طي دوسال اخير عبارت فناوري نانوي زيستي متداول و رايج شده است.
هر دو شيوة طراحي اشيا براي فناوريهاي نانوي زيستي هدف يکساني دارند که عبارتست از: نزديک شدن به مقياس عملي کوچکتر يعني مقياس نانو در علوم حياتي . با استفاده از اين دو مدل که تمام مقياسهاي بين اندازه 1 نانومتر و 1 ميکرومتر ميتوانند توسط آنها پيمايش و بررسي گردد، جامعة علمي قادر ميشود تا بر روي رشد و توسعة فناوريهاي مبتني بر اين مقياسها تمرکز کند.
به واسطة روشهاي بالا به پايين و پايين به بالا، ابزارهاي متفاوتي براي استفاده در بازارهاي علوم حياتي ايجاد شدهاند. (شکل 1)
با ابزارهاي عمدهاي که با روش بالا به پايين ساخته ميشود مانند ميکروتراشههاي DNA و آزمايشگاههاي روي تراشه، دسترسي به دقتي در حدود دهها نانومتر امکانپذير شده است. به وسيلة ابزارهاي عمدهاي که با روش پايين به بالا ساخته شدهاند مانند نانوبلورها، نانوکرهها و نانوساختارها ميتوان از يک نانومتر شروع کرده و به مقياس ميکرومتر رسيد. در نتيجه اين دو روش بازارهاي متفاوتي دارند.
بازار ميکروتراشه DNA
ميکرو تراشههاي DNA با پروپهاي DNA پوشانده ميشوند و براي آشکار ساختن سطح هيبريداسيون DNA هاي استخراج شده، به کار ميروند. امروزه معمولاً رايج است که آشکارسازي با استفاده از نشانگذاري زيستي فلورسنت انجام شود. ميکروتراشه DNA نميتواند به تنهايي به کار گرفته شود، لذا بايستي به يک پايه شامل اتاق هيبريداسيون، يک پيمايشگر و نرم افزار خاص متصل گردد تا پروفايلهاي حالت ژني را تجزيه و تحليل کند.
استفاده از ميکروتراشههاي DNA امروزه عمدتاً حول دو کاربرد عمده و با ارزش افزوده بالا، يعني کشف دارو و مواد شيميايي گياهي تمرکز يافته است. فايدة اصلي ميکروتراشههاي DNA در اين زمينهها عبارتست از کشف ژنها يا پروتئينهاي جديدي که اهداف بالقوه براي ترکيبات فعال ميباشند. در طي 15 سال گذشته اين بازار به تدريج به بالندگي رسيده است و امروزه بازيگران شــناختـه شـدهاي در آن حـضور دارنـد که عمـدتـاً تهيهکنندگان تجهيزات هستند ولي در بين آنها تعدادي شرکتهاي انفورماتيک زيستي و فناوري زيستي بهچشم ميخورد.
بـراي مـثــال شـرکت آفي متريکس(Affymetrix) بر روي توسعه و بازاريابي ميکروتراشهها و تجهيزات مخصوص ژنتيک تمرکز يافته است. اين شرکت 60 درصد کل بازار تراشة DNA را تحت کنترل دارد که در حدود 750 ميليون دلار آمريکا در سال 2002 تخمين زده شده است.
بازار ميکروتراشة DNA پس از سال 1999 با رشد فزاينده 30 تا 50 درصدي مواجه بوده و اين روند تاکنون نيز حفظ شده است. البته توليدکنندگان تجهيزات بايستي به فعاليتهاي خود تنوع ببخشند تا ميزان عرضه و سهم بازار خود را توسعه دهند. اين فقط زماني امکانپذير خواهد شد که شرکتها بتوانند به بازارهايي با ارزش افزوده بيشتر مانند صنايع تشخيص طبي، کنترل غذايي يا توسعة باليني دست پيدا کنند. فناوري امروزي در عين تمرکز بسيار بر روي حالت ژني، خيلي گران قيمت نيز هست. نوآوري در دستيابي به اين بازارهاي جديد مستلزم بهبود و بهسازي تراشههاي DNA رايج در بازار، بهينهسازي سيستمهاي فعلي و طراحي ابزار جديد است که همگي نقش مهمي را ايفا ميکنند. خوشبختانه بيشتر نوآوري مورد نياز، توسط شرکتهاي فناورينانوي زيستي و نيز تحقيقات دانشگاهي فراهم ميگردد. هر دوي آنها قالبهاي جديدي را به وجود ميآورند که شامل انواع تراشهها و زمينههاي استفاده از آنها ميباشند. همچنين هر دو بر روي فناوريهاي آزمايشگاههاي روي تراشه متمرکز شدهاند.
بازار آزمايشگاه روي تراشه
آزمايشگاه روي تراشه نوعي فناوري است که براي طراحي ابزارهاي خاص استفاده نميشود، بلکه موضوعي مبتني بر تجزيه و تحليلهاي چند پارامتري و تراشهاي ميباشد که صرفاًً براي آشکار سازي حالت ژني ايجاد نشده است. طراحي فرآيندهاي تحليلي در سطح مولکولي باعث کاهش هزينهها شده و سرعت تجزيه و تحليل را بالا ميبرد. امروزه ابزارهاي تجاري محدودي جهت کاربرد در آزمايشگاههاي روي تراشه به کار ميروند که اکثر آنها توسط شرکتهاي فناوري زيستي مستقر در آمريکا توليد شدهاند. شرکت فناوريهاي آگيلنت (Agilent) و شرکت کاليپر (Caliper) براي ساخت اولين ابزار آزمايشگاه بر روي تراشه همکاري کردهاند. اين محصول ميتواند پروتئينها، RNA و DNA را تفکيک کرده و تعداد آنها را معين سازد. همچنين از آن ميتوان براي طراحي آزمايشهاي سلولي استفاده کرد. شرکت سفيد(Cepheid) مستقر در آمريکا، کارتريجهاي سيالاتي را توليد ميکند که ميتواند استخراج و مرتب سازي DNA را انجام دهد محصولي که در آيندهاي نزديک آماده خواهد شد.
آينده فناوري آزمايشگاه روي تراشه متکي است به پيشرفتهايي که توسط صنعت ايجاد شده و نيز تجزيه و تحليلها و قالببنديهايي که در دانشگاه صورت ميگيرد. شرکت CEA در گرنوبل فرانسه در حال ساخت يک آزمايشگاه روي تراشه مبتني بر دي الکتروفورسيس براي دستکاري هزاران سلول زنده ميباشد. ديگر آزمايشگاه دانشگاهي، آزمايشگاه علوم الکترونيک طبي دانشگاه فني مونيخ است که مشغول ساخت تراشه حسگر چند پارامتري براي کاربردهاي تصويربرداري و آزمايش ميزان حساسيت شيميايي تومور ميباشد. البته قبل از آن که ابزارهاي آزمايشگاه روي تراشه در زمينههاي مختلف به کار گرفته شوند بايد موانع موجود از سر راه کنار رود موانعي همچون طراحي ابزارهايي با کاربرد آسان، مجتمعسازي فناوريهاي آزمايشگاه روي تراشه بهصورت يک سيستم و کنترل مشکلات ميکرو مايعات.
بازار نانوبلورها
نانوبلور، بلوري است در اندازه چند نانومتر که خواص الکترو فيزيکي ويژهاي دارد. نوع مهم نانوبلور که تاکنون ايجاد شده است نانوبلور نيمههادي فلورسنت ميباشد (مانند نقاط کوانتومي با نام تجاري QdotTM محصول شرکت QuantumDotCorp ( . اين بلورها خيلي پايدار بوده و نسبت به فلوئورفورها حساسيت بالاتري دارند و ميتوانند براي نشان دادن هدفهاي خاص استفاده شوند (آنها ميتوانند به پادتنهاي ويژهاي چسبانده شوند).
اين خواص جالب بايد به آنها اجازه دهد که فلوئورفورهاي کلاسيک را عوض کنند. خاصيت مهم ديگر تفاوت زياد بين نانوبلورهاست که به وسيله تک اشعه ليزر مشخص ميشوند. اختلاف بين نانوبلورها به اندازه بلور وابسته است. بنابراين بازار مورد نظر براي نانوبلورها در کوتاهمدت به وجود ميآيد.
در حال حاضر، تمرکز عمده پژوهش بر توليد نانوبلورهاي محلول در آب ميباشد که در بسياري از موارد به عنوان معرف در نشانگذاري زيستي استفاده ميشود. امروزه شرکتهاي فناوري زيستي، رشد قابل ملاحظهاي کرده به طوري که بازار جديد برخي نانوبلورها مانند پروبهاي نانوذرهاي ساخت شرکت nanosphere نيز مهياست.
به نظر ميرسد كه در آينده نشانگذاري زيستي در مقياس صنعتي به شدت اهميت پيدا کند. ولي اگر نانوبلور کاربردهايي در ديگر زمينههاي مهم مانند تصويربرداري پزشکي (به عنوان عوامل تشخيصدهنده و نشانگرهاي خاص)، دارورساني (به عنوان حاملهاي درون سلولي) و درمانگرها (به عنوان معالجههاي سلولي) داشته باشد، ضروري است که با محيط زيست سازگاري داشته باشد.
بازار نانوکرهها
محصولاتي که هم اکنون در مقياس نانومتر در حال توسعه ميباشند، نانوکرههاي مبتني بر تعاملات آبگريز- آب دوست ميباشند. سيستمهاي مختلفي براي ساخت نانو کرهها استفاده ميشود ولي سه تا از مهمترين آنها عبارتند از : کد پليمرهاي تودهاي، درختسانها ونانوامولسيونها.
پتانسيل نانوکرهها به عنوان سيستمهاي جديد دارورساني (DDSs) مهم است چون ساختار آنها اجازه ميدهد تا بتوانند ترکيبات دارويي را به صورت کپسول درآورده و از آنها در برابر عوامل بيروني محافظت کنند. هر سه سيستم طراحي نانوکرهها، ويژگيهاي جالبي مانند DDS ها دارند. آنها نيمه عمر ترکيبات فعال را در بدن، از طريق آزاد سازي مداوم افزايش ميدهند و اندازه کوچکشان به آنها اين اجازه را ميدهد تا به راحتي بتوانند از مويرگهاي نازک به خصوص در درون تومورها، عبور کنند. امروزه بعضي محصولات مانند NanoCapTM و MedicelleTM که هر دو را يک شرکت ژاپني به بازار عرضه كرده است به صورت يک محصول تجاري در آمدهاند.
در آينده نزديک روشهاي جديد، نانوکرهها را قادر ميسازد تا مخصوص يک سلول يا يک گيرنده عمل کنند (البته اگر به پادتنها متصل شوند.) همچنين اين روشها با دارورساني براي يک هدف خاص بهبود چشمگيري در کارآيي روشهاي درماني به وجود ميآورند. به علت قابليت دسترسي مناسب ترکيبات فعال دارويي، نانوکرهها به شدت مورد درخواست شرکتهاي بزرگ دارويي قرار گرفتهاند. استفاده از نانوکرهها همچنين مسيري را پيشپاي آنها ميگذارد تا بتوانند اختراعهايشان را بر روي مولکولهاي آنها تکرار کنند. زيرا، پيش از اين همة شرکتهاي عمده داروسازي، با توجه به روشهايي از DSS هاي نانوکرهاي، اختراعاتي داشتهاند.
بازار نانوساختارها
امروزه ساختارهاي بزرگ چندين هزار نانومتري به طور وسيعي مورد توجه محققان قرار گرفتهاند. نانوساختارها گروهي از مولکولها هستند که به وسيله خود مولکولها و يا مونتاژ مکانيکي ايجاد ميشوند.
اين نانوساختارها در ابتدا براي صنايع تشخيصي و دارويي از طريق پيشرفت در فناوريهاي آزمايشگاه روي تراشه به کار گرفته ميشدند. پژوهشهاي انجام گرفته قصد دارد حساسيت روشهاي آشکارسازي را افزايش داده و همچنين پايه و راههاي جديدي براي طراحي آرايهها را به وجود آورد. براي چنين کاري دانشمندان حسگرهاي زيستي و داراي