مبانی فناوری نانو: نانومواد و نانوساختارها

این کتاب با هدف آموزش مبانی دانش نانو به دانشجویانی نگارش شد که به دنبال یادگیری و پژوهش در زمینۀ نانوزیست‌فناوری هستند. هرچند شناخت کامل مبانی دانش نانو فراتر از این کتاب است، تلاش شد تا گزیده‌ای از مهم‏ترین و ضروری‌ترین یافته‌ها از منابع معتبر و جدید این رشته گردآوری شود که دانستن آن‌ها برای دانشجویان این رشته مفید و لازم است. در فصل اول کتاب، برخی از تعاریف و مروری بر تاریخچۀ گسترش نانوفناوری ارائه شده‏اند و در فصل دوم کتاب، قوانین مکانیک کوانتومی استفاده‏شده در تفسیر پدیده‌های وابسته به نانو مطرح شده‏اند. سپس، در فصل سوم، ویژگی‌های گوناگون و منحصربه‏فرد نانومواد و نانوساختارها بررسی شده‏اند که ناشی از ابعاد کوچک آن‏ها هستند و نانوساختارهای مزومتخلخل، به عنوان یکی از پرکاربردترین گروه‌های نانومواد در زمینه‌های زیست‌پزشکی به ویژه در دارورسانی و حذف آلاینده‌ها از آب و هوا، در فصل چهارم بررسی شده‏اند. فصل پنجم به معرفی ساختار و ویژگی‌های مهم‏ترین و پرکاربردترین نانومواد زیست‌پایه و کامپوزیت‌های زیستی آن‌ها اختصاص یافته است. در فصل ششم کتاب، مهم‏ترین نانوساختارهای کربنی مرور شده‏اند که کاربردهایی فراوان در زمینه‌های گوناگون زیست‌پزشکی دارند. نانوساختارهای بر پایۀ لیپید که به طور ویژه‌ در دارورسانی کاربرد دارند، در فصل هفتم کتاب بررسی شده‏اند و فصل هشتم به معرفی مهم‏ترین زیست‌مواد و نانوزیست‌مواد اختصاص یافته است.

فصل اول: مقدمه، تعاریف و تاریخچۀ فناوری نانو 1
1-1- فناوری نانو 1
1-2- نانو 3
1-3- نانومواد 5
1-4- فناوری نانوی مصرف‌کننده 7
1-5- تاریخچۀ فناوری نانو 8
1-5-1- فناوری نانوی باستان 10
1-5-1-1- جام لایکرگس 10
1-5-1-2- شمشیرهای دمشقی 10
1-5-1-3- پنجره‌های شیشه‌ای رنگی 10
1-5-2- نانوفناورهای نخستین 11
1-5-2-1- مایکل فارادی 11
1-5-2-2- ریچارد فاینمن 12
1-5-2-3- کی. اریک درکسلر 13
1-5-2-4- دونالد ام. ایگلر 13
1-6- فناوری نانو در طبیعت 14
1-6-1- رنگ حشره‌ها 14
1-6-2- گکو 15
1-6-3- سطحهای آب‌گریز 16
1-6-4- پدیدۀ فوتونیک 16
منابع 17
فصل دوم: مقدمهای بر فیزیک حالت جامد 19
2-1- مقدمه 19
2-2- موج‌های مادی 29
2-3- اصل عدم قطعیت ‌هایزنبرگ 31
2-4- محدودیت الکترون 34
2-5- مواد نانواندازه‌ و مکانیک کوانتومی 35
2-5-1- مواد نانواندازه‌ در نقش میانجی مواد اتمی و بزرگ 35
2-5-2- مکانیک کوانتومی 35
2-5-3- از اتم‌ها تا مولکول‌ها و نقطه‌های کوانتومی 37
2-6- کوچک کردن مواد بزرگ تا نقطۀ کوانتومی 41
2-6-1- سامانه‌های سه‌بُعدی (مواد بزرگ) 41
2-6-2- سامانه‌های دوبُعدی 45
2-6-3- سامانه‌های یک‌بُعدی (سیم‌های کوانتومی) 49
2-6-4- سامانه‌های صفربُعدی (نقطه‌های کوانتومی) 51
2-7- تراز انرژی یک نقطۀ کوانتومی (نیمهرسانا) 53
منابع 58
فصل سوم: ویژگی‌های نانوذرات 59
3-1- مقدمه 59
3-2- خوشه‌ها 60
3-2-1- انواع خوشه‌ها 61
3-3- نانوذره‌های نیمه‌رسانا 65
3-3-1- اکسایتون‌ها 65
3-3-2- ویژگی‌های نوری نانوذره‌های نیمه‌رسانا 68
3-3-2-1- تابناکی نوری 70
3-3-2-2- تابناکی الکتریکی 72
3-3-2-3- تابناکی کاتدی 74
3-3-2-4- تابناکی گرمایی 75
3-3-3- مواد پلاسمونیک 76
3-3-4- رزونانس پلاسمون سطحی محلی 78
3-3-5- پلاریتون پلاسمون سطحی 85
3-4- نانومغناطیس 89
3-4-1- انواع مواد مغناطیسی 91
3-4-1-1- مواد دیامغناطیس 91
3-4-1-2- مواد پارامغناطیس 92
3-4-1-3- مواد فرومغناطیس 93
3-4-1-4- مواد پادفرومغناطیس 95
3-4-1-5- مواد فری‌مغناطیس 96
3-4-2- مواد نانومغناطیسی 96
3-4-2-1- نانوذره‌های مغناطیسی 97
3-4-2-2- مواد اکسید مغناطیسی 99
3-4-2-3- ویژگی‌های مکانیکی نانومواد 100
3-4-2-4- ذوب نانوذرات 103
منابع 104
فصل چهارم: نانوسامانههای متخلخل: برای انتقال دارو و جذب آلایندهها 105
4-1- مقدمه 105
4-2- معرفی مواد مزومتخلخل 106
4-3- دسته‌بندی IUPAC مواد متخلخل 107
4-4- مسیرهای ساخت برای تشکیل مواد مزومتخلخل 108
4-4-1- نقش عوامل فعال سطحی/عوامل هدایت‌کنندۀ ساختار 109
4-4-2- بلورهای مایع پراکنده‌گر (LLCs) 110
4-4-3- انواع عوامل فعال سطحی 113
4-4-3-1- الگوی عامل فعال سطحی باردار 113
4-4-3-2- الگوهای عامل فعال سطحی طبیعی 114
4-4-4- نقش الگوها 115
4-4-4-1- الگوهای نرم 115
4-4-4-2- الگوهای سخت 116
4-5- انواع مواد مزومتخلخل: ساختار و ویژگی‌ها 117
4-5-1- زئولیت‌ها و کامپوزیت‌های آن‌ها 117
4-5-2- سیر تکاملی مواد زئولیتی 120
4-5-2-1- زئولیت‌های طبیعی 120
4-5-2-2- سنتز مصنوعی زئولیت‌ها 121
4-5-2-3- زئولیت‌های کم‌سیلیکا 121
4-5-2-4- زئولیت‌های پرسیلیکا 122
4-5-3- دسته‌بندی زئولیت‌ها 122
4-5-3-1- دسته‌بندی بر پایۀ ساختار روزنه 122
4-5-3-2- دسته‌بندی بر پایۀ واحدهای سازندۀ ساختار 124
4-5-3-3- دسته‌بندی بر پایۀ ساختار حلقه 125
4-5-3-4- دسته‌بندی بر پایۀ نسبت Si به Al 126
4-5-3-5- دسته‌بندی بر پایۀ ساختار بلوری 127
4-5-4- سیلیکای مزومتخلخل 128
4-5-4-1- مواد M41S 130
4-5-4-2- مواد SBA-X 132
4-5-5- اکسیدهای فلزی مزومتخلخل 135
4-5-6- کربن مزومتخلخل 137
4-5-7- مواد مزومتخلخل هیبرید آلی- غیرآلی 140
4-5-7-1- مواد نگه‌دارندۀ غیرآلی: سیلیکا 140
4-5-7-2- بهسازی شیمیایی مواد مزومتخلخل: عاملدار کردن 143
4-5-7-3- نانوکامپوزیت‌های بسپار/سیلیکای مزومتخلخل 145
4-5-7-4- نانوکامپوزیت‌های بسپار/کربن مزومتخلخل 149
4-5-7-5- نانوکامپوزیت‌های سیلیکای مزومتخلخل/(اکسیدهای) فلزی 150
منابع 150
فصل پنجم: نانومواد زیستپایه و کامپوزیت‌های آن‌ها 151
5-1- مقدمهای بر نانومواد زیست‌پایه 151
5-2- سلولز 153
5-2-1- ساختار و ویژگی‌های سلولز 154
5-2-2- نقش زیستی سلولز 155
5-2-3- کاربرد صنعتی سلولز 156
5-2-4- منبع سلولز 157
5-2-5- نانومواد سلولزی 158
5-2-5-1- تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 159
5-2-5-3- ساخت و جداسازی نانوذره‌های سلولزی 160
5-2-5-3- مشخصه‌یابی و ویژگی‌های نانوسلولز 163
5-2-6- نانوکامپوزیت‌های سلولزی 172
5-3- کیتین/کیتوسان 173
5-3-1- ساختار و ویژگی‌های کیتین/کیتوسان 174
5-3-2- ویژگی‌های فیزیکی - شیمیایی کیتین/کیتوسان 175
5-3-3- ویژگی‌های زیستی کیتین/کیتوسان 175
5-3-4- کاربردهای کیتین/کیتوسان 176
5-3-5- منبع کیتین/کیتوسان 176
5-3-6- نانومواد کیتین: تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 177
5-3-7- نانوکامپوزیت‌های کیتین: تهیه، ویژگی‌ها و کاربردها 182
5-4- نشاسته 184
5-4-1- ساختار و ویژگی‌های نشاسته 184
5-4-2- منبع نشاسته 185
5-4-3- نانوذره‌های نشاسته: تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 185
5-4-3-1- نامیزه‌/همگن‌سازی 187
5-4-3-2- رسوب‌گیری نانو 187
5-4-3-3- آب‌کافت اسیدی 188
5-4-3-4- فراآوایی 188
5-4-3-5- واکنش شیف‌باز 189
5-4-4- نانوبلورهای نشاسته 189
5-4-4-1- تهیۀ نانوبلورهای نشاسته 190
5-4-4-2- کاربردهای نانوذره‌های نشاسته 191
5-4-5- نانوکامپوزیت‌های نشاسته: تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 192
5-5- پروتئین جداشدۀ سویا 194
5-5-1- ساختار و ویژگی‌های پروتئین جداشدۀ سویا 194
5-5-2- منبع پروتئین جداشدۀ سویا 195
5-5-3- نانومواد پروتئین جداشدۀ سویا: تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 195
5-5-4- نانوکامپوزیت‌های پروتئین جداشدۀ سویا: تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 198
5-6- کازئین 200
5-6-1- ساختار و ویژگی‌های نانومواد کازئین 200
5-6-2- منبع کازئین 202
5-6-3- نانومواد کازئین: تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 203
5-6-3-1- نانوکپسول‌ها/میسل‌های نانواندازۀ کازئین 204
5-6-3-2- نانوژل‌های کازئین 205
5-6-3-3- نانوذره‌های همتافت‌ پلی‌الکترولیت - کازئین 205
5-6-3-4- نانوکامپوزیت‌های کازئین: تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 208
5-7- آلژینات‌ها 212
5-7-1- ساختار و ویژگی‌ها 212
5-7-2- منبع آلژینات‌ها 213
5-7-3- نانومواد آلژینات‌: تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 214
5-7-4- نانوکامپوزیت‌های آلژینات‌ها: تهیه، مشخصه‌یابی و کاربردها 215
5-8- بسپارهای دیگر 216
5-8-1- ژلاتین/کلاژن 216
5-8-2- پروتئین آب پنیر 218
منابع 219
فصل ششم: نانوساختارهای کربنی 221
6-1- دگروارههای کربن 221
6-2- فولرن‌ها 222
6-2-1- ویژگی‌های فیزیکی فولرن‌ها 223
6-2-2- دگروارۀ C60 223
6-2-3- ساختار C60 226
6-2-4- ویژگی‌های C60 226
6-2-5- به‌سازی C60 227
6-2-5-1- بهسازی اندوهدرال 227
6-2-5-2- بهسازی اگزوهدرال 228
6-2-6- متالوفولرن‌ها 229
6-3- گرافن 230
6-3-1- شناسایی گرافن 230
6-3-2- ساختار گرافن 231
6-3-3- ساخت گرافن 231
6-3-4- ویژگیهای الکتریکی گرافن 233
6-4- نانولوله‌های کربنی (CNTs) 234
6-4-1- ساختار نانولوله‌های کربنی 235
6-4-2- ویژگی‌های نانولوله‌های کربنی 239
6-4-2-1- ویژگی‌های مکانیکی 241
6-4-2-2- ویژگی‌های الکتریکی 242
6-4-3- نانولوله‌های کربنی در نقش نانومواد 243
6-4-3-1- ساخت نانولوله‌های کربنی 243
6-4-3-2- بهسازیهای شیمیایی نانولوله‌های کربنی 249
6-4-3-3- بهسازیهای فیزیکی نانولوله‌های کربنی 250
6-4-3-4- نانوکامپوزیت‌های بر پایۀ نانولوله‌های کربنی 252
6-4-3-5- برهم‌کنش سطحی نانولوله‌های کربنی در نانوکامپوزیت‌ها 260
منابع 265
فصل هفتم: نانوساختارهای بر پایۀ لیپید در دارورسانی 267
7-1- لیپوزوم‌ها 267
7-1-1- روش‌های ساخت لیپوزوم‌ها 271
7-1-1-1- وزیکول‌های چندلایه (MLV) 271
7-1-1-2- وزیکول‌های تک‌‌لایۀ بزرگ (LUV) 272
7-1-1-3- وزیکول‌های تک‌لایۀ اکسترودشده (EUV) 273
7-1-1-4- وزیکول‌های تک‌لایۀ کوچک (SUV) 273
7-1-1-5- آماده‌سازی وزیکول‌های تک‌‌لایۀ بزرگ با وارونگی فاز 274
7-1-1-6- وزیکول‌های تکلایۀ غول‌پیکر (GUV) 274
7-1-2- ویژگی‌های لیپوزوم‌ها 274
7-2- نیوزوم‌ها 275
7-3- اتوزوم 276
7-4- ترانسفروزوم 278
7-4-1- ویژگی‌های ترانسفروزوم‌ها 278
7-5- نانوامولسیون 279
7-6- نانوذره‌های لیپیدی جامد (SLN) 281
7-6-1- حامل‌های لیپیدی نانوساختار (NLCs) 282
منابع 284

فصل هشتم: زیستمواد 285
8-1- تعریف زیست‌مواد 285
8-2- پیشینۀ تاریخی 289
8-3- بسپارهای تجزیهپذیر و جذبشونده 289
8-3-1- معرفی 289
8-3-2- تاریخچه‌ای کوتاه دربارۀ بسپارهای تجزیه‌پذیر 290
8-3-3- تعریف فرآیندهای تخریب، فرسایش، حجیم و سطحی 291
8-3-4- ویژگی‌های بسپارهای تجزیه‌پذیر 293
8-3-4-1- کارکرد ستون فقرات بسپاری 294
8-3-4-2- معماری بسپار 296
8-3-4-3- مسیرها و سینتیک تجزیه 301
8-3-4-4- طراحی و پردازش بسپار 309
8-3-4-5- ملاک‌های کارکرد 318
8-3-5- هیدروژل‌ها 321
8-3-5-1- دسته‌بندی و ساختارهای پایۀ هیدروژل‌ها 322
8-3-5-2- ساخت هیدروژل‌ها 324
8-3-5-3- رفتار آماسی هیدروژل‌ها 329
8-3-5-4- تعیین ویژگی‌های ساختاری هیدروژل‌ها 332
8-3-5-5- هیدروژل‌های زیستپزشکی 332
8-3-5-6- هیدروژل‌های «زیرک» یا «هوشمند» پاسخگر به برانگیزانندهها و کاربردهای آن‌ها 337
8-4- سرامیک، شیشه و شیشه - سرامیک: مبانی پایه 344
8-4-1- معرفی 344
8-4-2- سرامیک به نسبت زیست‌خنثی 344
8-4-2-1- سرامیک آلومینا و زیرکونیا 346
8-4-3- سرامیکها و شیشههای زیستفعال 347
8-4-3-1- سرامیکهای زیستفعال 348
8-4-3-2- سرامیک فسفات کلسیم متخلخل 350
8-4-3-3- سیمان فسفات کلسیم 357
8-4-3-4- شیشههای زیستی و شیشههای زیستفعال 359
8-4-3-5- دانه‌های شیشۀ زیستی 362
8-4-3-6- کامپوزیتها و بتونههای شیشه‌ای زیستفعال برای ترمیم استخوان 365
8-4-3-7- شیشههای زیستفعال متخلخل 365
8-4-4- شیشه سرامیک 367
منابع 368