بیوفنآوری

 بیوسرامیکهابیوسرامیکها، موادی مرکب از فلزات و غیر فلزات است که باپیوندهای یونی یا کووالانسی با هم ترکیب شده است.  این مواد سخت، ترد با خواص کششی ضعیف اما استحکام فشاری عالی، مقاومت سایشی بالا و اصطکاک پایین برای کاربردهای مفصلی است. بیوسرامیکها هم به صورت منفرد وهم بهصورت کامپوزیتهای بیوسرمیک- پلیمر در بین همه بیومواد مناسبترین گزینه برای جایگزینی بافتهای سخت و نرم است.  در حال حاضر تمایل زیادی برای استفاده از این مواد به عنوان ماده کاشتنی و نیز بیوفنآوری پیدا شده است.  در این مقاله سعی بر این است تا به کاربردهایی چند از این مواد به اختصار پرداخته شود. 
کاربرد بیوسرامیکها در بیوفنآوری
مهندسی سلول

سیمان و فناوری نانو

امروزه سیمان با توجه به کاربردهای مختلف و مصارف گوناگون، نقش مهمی در زندگی بشر ایفا می‌کند. از سوی دیگر مسأله زمان نیز از موضوعات اقتصادی حائز اهمیت برای صاحبان صنایع به شمار می‌آید و کاهش زمان ساخت و ساز، صرفه اقتصادی قابل توجهی را به دنبال خواهد داشت. اخیراً تولیدکنندگان سیمان دریافته‌اند که کاهش اندازه ذرات سیمان تا ابعاد نانو مقیاس، موجب تسریع در سفت شدن آن می‌شود؛ لذا گروهی از محققان سوئیسی با استفاده از روش فاز گازی و سنتز به شیوه تزریق شعله‌ای، به روشی برای آماده‌سازی مستقیم و تک‌مرحله‌ای نوعی سیمان نانوذره‌ای از جنس نانوذرات سیلیکات کلسیم(همان ترکیب سیمان پورتلند معمولی) دست یافته‌اند که واکنش‌پذیری اولیه آن ده برابر بیش از سیمان‌هایی است که به روش‌های معمولی تهیه شده‌اند؛ البته این سیمان بسیار متخلخل بوده و پایداری‌اش نسبت به سیمان‌های معمولی کمتر است و هنوز برای کارهای ساختمانی مدرن که مستلزم تحمل بار زیاد است، مناسب نیست.

mW / رهایش انرژی زمان بر حسب ساعت سیمان ساخته‌شده به روش تزریق شعله کل انرژی آزادشده = J/g 372 سیمان تجاری معمولی کل انرژی آزادشده = J/g 377 (سمت چپ) واکنشگر تزریق شعله طی فرایند تولید مخلوط نانوذرات اکسید فلزی که از ترکیبات سیمان پورتلند است. (بالا سمت راست) سیمان ساخته‌شده از نانوذرات پودری که به رنگ روشن با زمینه قهوه‌ای است. ( سمت راست پایین ) یک میکروگراف الکترونی انتقالی(TEM) که پس از آماده شدن ذرات سیمان از آنها تهیه شده‌است . در این میکروگراف شکل نانوذرات باقی‌مانده شبیه سیلیکایی است که با شعله ساخته شده‌است. (سمت راست) نمودار رهایش گرمایی از این ذرات و ذرات سیمان معمولی که با یک کالریمتر هم‌دما اندازه‌گیری شده‌است. همان‌طور که ملاحظه می‌شود رهایش گرمایی نانوسیمان(حدود یک دقیقه پس از تماس با آب) بسیار سریع‌تر از سیمان معمولی(حدود هفت دقیقه) است. در این روش یک پیک دیگر هم پس از مدت ده ساعت وجود دارد که در این شکل نشان داده نشده‌است

آنها برای تولید پیش‌سازهای بسیار ارزان، از برخی مواد شیمیایی مانند محصولات فرعی حاصل از پالایش نفت خام و فرایند آئروسل شعله‌ای( که در تولید رنگ‌دانه و کربن بلک به کار می‌رود) استفاده کردند و موفق به فراوری کامل ترکیبات پچیده‌ای مانند سیمان پورتلند شدند. این نانوسیمان برخلاف سیمان پورتلند معمولی، متناسب با دمای محیط واکنش، نانوذراتی با اندازه‌های مختلف( به‌طور متوسط یک سوم ذرات مشابه در سیمان معمولی) دارد، همچنین اندازه کوچک این ذرات موجب تغییر کامل رفتار هیدراسیون این سیمان شده و در نتیجه ضمن حفظ همان واکنش‌های ترمودینامیکی، واکنش‌های سینتیکی متفاوتی را خواهد داشت.  دانشمندان امیدوارند به‌رغم تخلخل بالای این مواد، بتوان با توجه به واکنش‌پذیری اولیه بسیار خوبی که دارند، کاربردهای جدیدی را به‌ویژه در مواردی که کوتاه بودن زمان سفت شدن حائز اهمیت است، به وجود آورند.  هم‌اکنون از این نانوسیمان متخلخل در نوسازی یا عایق‌کاری کاربردهایی که نیاز چندانی به استحکام در برابر فشردگی ندارند و ترکیب آنها با مواد معمولی به بهبود سخت شدگی آنها کمک می‌کند، استفاده می‌شود، همچنین این سیمان در کاربردهای هزینه‌بر کوچک‌مقیاس به‌ویژه اتصالات ساختمانی یا به‌صورت ترکیبی با فرمو‌ل‌ها موجود که به تسریع کار آنها کمک می‌کند نیز کاربرد دارد.  گفتنی است مقاله‌ای هم در همین زمینه در شماره اخیر نشریه Nanotechnology با عنوان "Preparation of an ultra fast binding cement from calcium silicate-based mixed oxide nanoparticles"  به چاپ رسیده‌است

نانو پوششها

 چرا ازپوشش استفاده می کنیم؟  

• یک روز صبح که از خواب بیدار می‌شوید یک نفر پوست صورتتان را کنده است!
• یک لولوی تمام‌عیار شده اید.
• برای رفع مشکل چه می‌کنید؟
• با یک وسیله مثل باند تمام بدنتان را می پوشانید.
• باند پوشش مناسبی برای صورت شما نیست.
• باند تنها می‌تواند به عنوان یک پوشش موقت به کار رود. 
  می توان گفت که: 

تمام مواد و محصولات مورد استفادة ما هم نیاز به پوشش دارند

چون نباید در طی مراحل تولید، بسته بندی، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در موقع مصرف، خواص و ویژگی‌های خود را از دست بدهند

پوشش چیست؟ 

شیشه _ سرامیک

شیشه-سرامیک‌ها مواد جامد چندبلوری هستند که با اعمال فرایند کنترل شدهٔ تبلور بر روی شیشهٔ پایه حاصل می‌شوند.

ساخت:

 روش مرسوم ساخت قطعات شیشه سرامیکی شکل دهی مذاب شیشه به روش‌های مرسوم شکل‌دهی شیشه و عملیات حرارتی این قطعات در دماهای جوانه‌زنی و رشد می‌باشد. پیامد این فرآیند ایجاد فاز یا فازهای بلورین درزمینهٔ شیشهٔ باقیمانده خواهد بود.. در مرحلهٔ عملیات حرارتی با کنترل شرایط جوانه‌زنی و رشد کریستال‌ها از طریق رسوب دادن فازهای بلورین، خواص دلخواه در قطعه ایجاد می‌شود.

خواص و کاربردها:

مقدار و نوع فازهای بلورین و ریز ساختارابعاد و شکل ذرات بلوری، طرز آرایش آنها، مقدار تخلخل و… تعیین کنندهٔ ویژگی‌های نهایی قطعه خواهد بود.

به دلیل دارا بودن مزایایی مانند چگالی کم، مقاومت شیمیایی خوب، مقاومت الکتریکی بالا، استحکام مکانیکی بالا و ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین و حتی منفی و… امروزه شیشه سرامیک‌ها، کاربردهای بسیار متنوع و فراوانی یافته‌اند. محصولاتی مانند ظروف شوک‌پذیر آشپزخانه، کاشی‌ها و سنگ‌های ساختمانی، مقره‌های الکتریکی، لوله‌ها و پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی، قطعات الکترونیکی و اپتیکی، دماغه‌های موشک، آئینه‌های تلسکوپ و بسیاری از فرآورده‌های دیگر می‌توانند با استفاده از فرایند ساخت شیشه سرامیک‌ها تولید شوند

سرامیکهای مغناطیسی چیستند و چه کاربردهایی دارند

مواد مغناطیسی از جمله مواد مهندسی بسیار مهمی هستند که کاربردهای مختلفی را به خود اختصاص داده­اند. به طور مثال می­توان به کاربرد آنها در سیستم­های الکترونیکی اشاره کرد که هر روزه از آنها استفاده می­کنیم. متن زیر که از خبرنامة انجمن سرامیک ایران (شمارة 10) نقل شده است، به معرفی و کاربرد مواد مغناطیسی پرداخته است:

به طور کلی مواد مغناطیسی به دو دسته سخت­مغناطیس (نظیر آهنرباهای دائم) و نرم­مغناطیس (نظیر مواد مغناطیسی با پسماند مغناطیسی کم) تقسیم­بندی می­شوند: 

1- آهنرباهای دائم سرامیکی

مواد مغناطیسی دائم به دسته­ای از مواد اطلاق می­شود که خاصیت مغناطیسی خود را پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی حفظ می­کنند و کاربردهای وسیعی را به خود اختصاص داده­اند. به عنوان مثال می­توان از کاربرد آنها در یخچال­ها، موتورهای جریان مستقیم، نگهدارنده­ها، دستگاه­های سنجش، بلندگوها و بسیاری موارد دیگر نام برد. 
اکثر آهنرباهای دائمی تجارتی، از فریت­های سخت­مغناطیس سرامیکی تشکیل شده­اند که حاوی اکسیدهای مختلفی می­باشند. البته قیمت مواد اولیه فریت­های سخت­مغناطیس، در مقایسه با مواد مورد نیاز برای آهنرباهای فلزی نظیر آلیاژ AlNiCo و یا ترکیبات آلیاژهای کمیاب خاکی، کمتر می­باشد. همچنین لازم به ذکر است که فریت­های سخت­مغناطیس سرامیکی، به لحاظ دارا بودن میدان­های پسماندزدای (Hc) قوی­تر در مقایسه با آهنرباهای فلزی نظیرAlNiCo، می­توانند در ابعاد کوچکتری، بدون اینکه مواجه با خطر میدان­های آهنربازدا باشند، تهیه شوند. 

فریت­های سخت­مغناطیس سرامیکی از نوع هگزاگونال، یک بخش از خانواده اکسیدهای کمپلکس با فرمول عمومی MO.6Fe2O3 می­باشند که MO معرف اکسیدهای: باریم، استرانسیم، سرب و یا ترکیبی از این عناصر می­باشند. از مواد مهم تجارتی در این گروه می­توان به فریت­های باریم با فرمول BaO.6Fe2O3 و فریت استرانسیم با فرمول SrO.6Fe2O3 اشاره کرد. 

در این راستا از افزودنی­های مختلفی نظیر Sio2 یا AL2O3 بمنظور افزایش میدان پسماندزدای (Hc) و کمک زینتر، استفاده می­گردد. سرامیک­های مغناطیسی همچنین بر مبنای میزان نظم ریزساختارشان که در پروسه تولید قابل کنترل می­­باشد، به دو گروه تقسیم می­شوند: 

نوع اول مگنت­های آنیزوتروپ­ (جهت­دار)، که دارای یک محور ترجیهی مغناطیسی می­باشند و نوع دوم مگنت­های ایزوتروپ (غیرجهت­دار)، که دارای یک بافت ریزساختاری جهت­دار نمی­باشند و خواص مشابهی را در جهات مختلف از خود نشان می­دهند. همچنین در مگنت­های جهت­دار آنیزوتروپ بخاطر وجود یک محور یکسان، انرژی مغناطیسی ماکزیمم می­باشد. 

کاربرد مواد مغناطیسی دائم بر پایة عملکرد ویژه مغناطیسی­شان می­باشد و در سیستم­های فضانوردی، کامپیوتر، الکترونیک، پزشکی، صنعت خودروسازی، صنایع نظامی، وسایل انتقال اطلاعات و غیره مشاهده می­شوند. در واقع فریت­های سخت مغناطیس سرامیکی در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می­گیرند: از اسباب­بازی­های ساده و قفل­های کابینت گرفته تا موتورهای الکتریکی DC. 

آهنرباهای بزرگ در سپراتورهای مغناطیسی برای تغلیظ مینرال­ها و فیلترهای آبی و آهنرباهای کوچک در صفحات نمایشگر اطلاعات مورد استفاده قرار می­گیرند. در صنعت، آهنرباهای دائم سرامیکی به چندین گروه تقسیم می­شوند: سرامیک­های مغناطیسی مشهور به گروه 1، از مواد ارزان قیمت ساخته می­شوند و کاربرد­­هایی نظیر: قفل­های ساده، کوپل­های مغناطیسی هم­محور برای کنتور­های آب و یاتاقان­های بدون اصطکاک در کنتورهای برق را به خود اختصاص داده­اند. 

سرامیک­های مغناطیسی مشهور به گروه 2، در موتورهای DC مورد استفاده در خودروها، موتورهای پله­ای (Stepper Motors ) و کوپل­های مغناطیسی هم­محور مورد استفاده قرار می­گیرند. 

سرامیک­های مغناطیسی مشهور به گروه 5 ، بصورت آهنرباهای حلقه­ای شکل در بلندگوها و جداکنندهای مغناطیسی و دیسک­های مورد استفاده در کوپل­های مغناطیسی، مورد مصرف قرار می­گیرند. 

سرامیک­های مغناطیسی مشهور به گروه 7 و 8، در موتورهای DC ، موتورهای Brushiess DC و ژنراتورها و محرک­های القایی خطی استفاده می­شوند. 

2- فریت­های نرم­مغناطیس

مواد نرم­مغناطیس بطور کلی با اعمال میدان­های ضعیف مغناطیسی، خاصیت مغناطیسی از خود نشان می­د­هند. وقتی نیروی اعمالی حذف می­شود، خاصیت مغناطیسی باقیمانده در آن­ها تضعیف می­گردد. اهمیت نرم­مغناطیس­ها در بسیاری از سیستم­های الکتریکی و الکترونیکی مشهود است. 
مواد نرم­مغناطیس در سیستم­های توزیع نیرو، تغییر انرژی الکتریکی به مکانیکی و ارتباطات مایکروویو مورد استفاده قرار می­گیرند. آنها همچنین به عنوان مبدل­های الکتریکی و مواد فعال جهت ذخیره­سازی اطلاعات در بسیاری از سیستم­های اطلاع­رسانی عمل می­کنند. بسیاری از کاربردهای جدید آنها در اثر بهبود خواص و ویژگی­های این مواد بوده است. 

مواد اولیة فریت­های نرم­مغناطیس، اکسیدهای سرامیکی هموژنی هستند که اکسید آهن به عنوان جزء اصلی آنها می­باشد. فریت­ها می­توانند ساختار­های کریستالی متفاوتی را دارا باشند. 

بطور کلی 3 ساختار کریستالی برای فریت­های تجاری امروزی شناخته شده است: 

اولین کلاس دارای ساختار مگنتوپلامبایت هگزاگونالی است (مثل: BaFe12O19). دومین کلاس دارای ساختار گارنت می­باشد که به گارنت مغناطیسی یا فریت­های مایکروویو نیز شهرت دارد. فرمول عمومی این گروه بصورت 3M2O3.5FeO3 یا M3Fe5O12 می­باشد. یون­های فلزی در این ترکیب، در مقایسه با دو کلاس دیگر سه ظرفیتی هستند. در گارنت­های مغناطیسیM، معمولاً ایتریم (Y)+3 یا یکی از یون­های کمیاب خاکی­ها نظیر Gd+3 بصورت (Gd3Fe5O12) می­باشد. 

سومین کلاس دارای ساختار اسپینلی می­باشد. در اینجا، اکسیدهای آهن یا فلزاتی نظیر: نیکل، منگنز، روی، منیزیم و کبالت بصورت منفرد یا ترکیبی وجود دارند. کلاس اسپینلی نام خود را از مینرال غیر مغناطیسی MgAl2o4 یا MgAl2o3 گرفته است و دارای ساختار مکعبی پیچیده­ای می­باشد. در اسپینل­های مغناطیسی، یون دوظرفیتی Mg2+ می­تواند توسط Cu2+، Co2+، Fe2+، Zn2+، Li2+ ، Mn2+، Ni2+، و یا در بیشتر مواقع با ترکیبی از این یون­ها جایگزین گردد. یون Al3+ نیز می­تواند جانشین Fe3+ گردد. 

اسپینل­های مغناطیسی دارای فرمول عمومی MFe2O4 یا MO.Fe2O3 می­باشند. 

نرم­مغناطیس­ها همچنین بر اساس محدوده فرکانسی نیز تقسیم بندی می­شوند: 

فریت­های غیر مایکروویو برای فرکانس­هایی از محدوده شنوایی تا 500MHz 

فریت­های مایکروویو برای فرکانس­هایی در محدوده 100MHz-500GHz 

فریت­های غیر مایکروویو خود به دو بخش زیر تقسیم می­شوند: 

فریت­ها با حلقه هیستریزیس مستطیلی شکل برای حافظه­های کامپیوتری 

فریت­های خطی(مرکب از فریت­های منگنز- روی و نیکل- روی) برای مبدل­ها و سلف­ها در فیلترها 

فریت­های مایکروویو، فراهم کننده یک محیط غیرفعال با تلفات کم می­باشند که اجازه انتشار امواج را با تلفات ناچیز فراهم می­کنند. در حقیقت با توجه به اینکه امواج الکترومغناطیس از دو مولفه الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شده­اند، با برهم­کنش مولفه مغناطیسی موج با ممان­های مغناطیسی ماده و مولفه الکتریکی موج با مولفه دی الکتریکی فریت، رفتار موج الکترومغناطیس تحت تاثیر پارامترهایی نظیر قابلیت نفوذ مغناطیسی، قابلیت نفوذ دی­الکتریکی و آهنربایش ماده قرار می­گیرد. با به کار بردن یک میدان مغناطیسی DC خارجی، واکنشی بین سینگال مایکروویو و محیط انتشار موج( فریت) صورت می­پذیرد که امکان کنترل آن را فراهم می­سازد. 

بیش از 100 نوع ترکیبات فریتی به عنوان فریت­های مایکروویو برای تولید تجهیزات مخابراتی معرفی شده­اند. مواد فریتی نرم­مغناطیس در وسایلی نظیر: مبدل­ها، موتورها، ژنراتورها، سولونوئیدها، رله­هایDC و حفاظ­های مغناطیسی بکار برده می­شوند. با وجود مقاومت الکتریکی بالا و خواص مغناطیسی خوب، از این فریت­ها به عنوان یک هسته عالی برای فیلتر­ها در محدوده فرکانسی 50 - 450KHz استفاده می­شود. 

با گسترش صنعت تولید تلویزیون در سال 1950، اهمیت صنایع تولید فریت­ها بیشتر نمود پیدا کرد. هسته­های فریتی در سیستم تقارب اشعه الکترونیکی لامپ تصویر تلویزیون و ترانس­­های­ ولتاژ، مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین از فریت­های نرم در منابع تغذیه از نوع (Switch Mode) که کاربردهای وسیعی، در کامپیوتر و مخابرات دارد، استفاده می­گردد. 

در سال 1970 هسته­های فریتی بطور گسترده­ای برای فیلتر­ها در وسایل مربوط به سیستم­های مخابراتی مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1980 از هسته­های فریتی در منابع تغذیه فرکانس بالا استفاده گردید. اکثر فریت­های اسپینلی رایج، یکی از انواع فریت­های منگنز-روی و نیکل– روی می­باشند که در ترانسفورماتورها، سلف­ها و هدهای ضبط صوت یا ویدئو به کار می­روند. 

عملکرد فریت منگنز- روی ترجیحاً برای فرکانس­هایی تا 1MHz می­باشد. بقیه فریت­های اسپینیلی نظیر منیزیم- منگنز، نیکل- روی و فریت­های لیتیمی در تجهیزات مایکروویو، مورد استفاده قرار می­گیرند. بقیه کاربردهای مربوط به فریت­های نرم­مغناطیس شامل هسته­های حافظه، سنسورهای دمایی، اجزاء موتورهای الکتریکی، هسته­های ترانسفورماتورها و حذف­کنندهای نویز الکتریکی می­باشند. 

از میان فریت­هایی که به آنها در این مقوله اشاره شده است، فریت­های هگزاگونالی خواص ویژه­ای دارند که آنها را برای استفاده در فرکانس­های بالا (>100MHz) مناسب کرده است. 

فریت­های نیکل- روی برای فرکانس­های بالاتر از فرکانس کاربردی فریت­های منگنز- روی ترجیح داده می­شوند، زیرا دارای هدایت الکتریکی پائین­تری می­باشند. از فریت­ها معمولاً به عنوان آنتن­های گیرنده در رادیو­ها استفاده می­شود و به جر‌‌أت می­توان گفت تقریباً تمام گیرنده­های رادیویی AM از این آنتن­ها استفاده می­کنند. 

نکته قابل ذکر دیگر اینکه، شکل هسته­های فریتی با توجه به خواص مکانیکی و مغناطیسی ویژه طراحی می­شود. به عنوان مثال اشکال مختلفی از هسته برای سلف­های دارای ضریب کیفیت بالا (Q-Factor) و اتلاف پایین مورد نیاز می­باشد. 

توسعه بازار مربوط به فریت­های مایکروویو، وابسته به توسعه سیستم­ها و تجهیزات مخابراتی و نظامی نظیر رادار و غیره می­باشد. فریت­های مایکروویو نظیر گارنت ایتریم-آهن به عنوان هدایت­کننده­های امواج برای انتشار امواج الکترومغناطیس و جابجاکنندهای فازی (Phase Shiftr) استفاده می­شوند. از دیگر کاربردهای فریت­های مایکروویو می­توان به ایزولاتورها، سیرکلاتورها، اسیلاتورها، سوئیچ­ها و فیلتر­ها اشاره کرد.