درسنامه آموزشی کاربرد فناوری‌های نوین کلاس یازدهم

تفاوت این دو روش ساخت در چیست؟

کوچک‌ترین ابعادی که در این شکل مشاهده می‌کنید چه اندازه‌ای است؟

آیا با نحوه عملکرد مواد هوشمند آشنا هستید؟

چگونه با استفاده از ذرات نانو کاربرد مواد و وسایل بهبود می‌یابد؟

چگونه با زیست‌فناوری می‌توانیم انرژی و محیط‌زیست پاک داشته باشیم؟

فناوری‌های هم‌گرا

با توجه به پیشرفت‌های صورت گرفته در فناوری‌های مختلف، دانشمندان از ابتدای قرن 21 میلادی بر این موضوع تأکید داشتند که در جهت متحد ساختن علوم مختلف حرکت کنند. متحد ساختن علوم مختلف منجر به تولید محصولات جدید و توسعه هر یک از فناوری‌ها کمک خواهد کرد. یکی از مثال‌های ترکیب فناوری‌ها استفاده از خودروهای الکتریکی خودران می‌باشد که به صرفه‌جویی حامل‌های انرژی و کاهش آلودگی محیط‌زیست کمک می‌کند. از طرفی از خطاهای انسانی مثل خواب آلودگی و سرعت غیرمجاز که منجر به تصادفات و مرگ‌ومیر بسیاری از انسان‌ها می‌شود، جلوگیری کند.

هم‌گرایی علوم در صورتی که به همراه توجه کافی به مسائل اخلاقی و نیازهای جامعه باشد، می‌تواند پیشرفت‌های شگرفی را در توانایی‌های انسان، بازده صنایع ملی و کیفیت زندگی مردم ایجاد کند. علمی که اساس آن بر پایه علوم هم‌گرا بنا شده باشد و از موادی در مقیاس نانو استفاده کند مکتب جدیدی برای تولید دانش، نوآوری و یکپارچگی فناوری به‌وجود می‌آورد. ترکیب «فناوری‌های نوین هم‌گرا» به ادغام چهار فناوری نانو، زیست‌فناوری، اطلاعات و علوم شناختی اشاره دارد که هر کدام از این چهار فناوری با سرعت زیادی در حال رشد و توسعه هستند.

فناوری نانو

نقش اندازه ذرات در خواص مواد

به شکل زیر توجه کنید:
آیا تا به حال به این موضوع فکر کرده‌اید که چرا شکر زودتر از قند در چای حل می‌شود؟

حال به نظرتان اگر ذرات شکر را کوچک‌تر کنیم باز هم در سرعت حل شدن آن تأثیرگذار خواهد بود؟ با چه روشی و تا چه اندازه‌ای این کار امکان‌پذیر است؟

با توجه به مطالب فیزیک پایه دهم برای نشان دادن اندازه از پیشوندهایی استفاده می‌شود که براساس بزرگتر و کوچک‌تر بودن ماده با یک‌دیگر متفاوت می‌باشند که در جدول برخی از این پیشوندها نشان داده شده است.

پیشوند	علامت اختصاری	اندازه (متر)	پیشوند	علامت اختصاری	اندازه (متر)
گیگا	G	$10^{9}$	دسی	d	$10^{-1}$
مگا	M	$10^{6}$	سانتی	c	$10^{-2}$
کیلو	K	$10^{3}$	میلی	m	$10^{-3}$
هکتو	h	$10^{2}$	میکرون	µ	$10^{-6}$
دکا	da	$10^{1}$	نانو	n	$10^{-9}$
			آنگسترم	Å	$10^{-10}$
			پیکو	P	$10^{-12}$
			فمتو	f	$10^{-15}$

اگر بخواهیم یک مقایسه بین اندازه سنگ‌ریزه‌های موجود در ساحل با اتم‌های ماده داشته باشیم به شکل زیر توجه کنید.

در صورتی که به اتم‌های کاغذ دست پیدا کنیم، یعنی به ابعادی به اندازۀ چند دهم نانو دست یافته‌ایم. در کتاب فیزیک پایه دهم با واژه و کمیت نانو آشنا شده‌اید. کار کردن با مواد در ابعاد نانو در صورتی امکان‌پذیر است که ما از علم و ابزارهای این حوزه استفاده کنیم.

همان طور که در شیمی و فیزیک پایۀ دهم آموخته‌اید اتم‌های تشکیل دهندۀ یک ماده، ابعادی کوچک‌تر از یک نانومتر دارند که از قرار گرفتن اتم‌های یکسان و متفاوت کنار هم، یون‌ها، مولکول‌ها و جامدات کوالانسی به وجود می‌آید که خواص این مواد با هم فرق می‌کند.

یک تیم فوتبال را در نظر بگیرید. در یک مسابقه این تیم نیاز به پیروزی دارد پس، از سیستمی استفاده می‌کند که هجومی باشد و در آن مسابقه پیوسته حمله می‌کند تا به گل برسد. ولی برعکس زمانی که تیم حریف قدرتمند باشد و نتیجۀ مساوی برای این تیم ایدئال باشد از سیستم دفاعی استفاده می‌کند. با توجه به شکل زیر به نظر شما برای حالت دفاعی و هجومی از کدام سیستم استفاده کند بهتر است؟

در ساختار مواد نیز، با تغییر محل قرارگیری اتم‌ها در یک ساختار مشخص، خواص آن ماده تغییر می‌کند.

در نتیجه اگر بتوانیم به ساختار کریستالی فلزات دسترسی داشته باشیم، قادر خواهیم بود نحوۀ چیدمان اتم‌ها را تغییر داده و خواص جدیدی برای آن ماده به‌وجود آوریم.

«علم نانو» مطالعه ذرات و مواد در ابعاد اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است، زیرا کار کردن در این مقیاس منجر به تغییر شدید خواص ماده می‌شود.

به‌طور کلی دو عامل اصلی اثرات سطحی و اثرات کوانتومی باعث می‌شوند مواد با ابعاد نانو، رفتاری متفاوت از مواد با ابعاد بزرگ‌تر از خود نشان دهند.

اثرات سطحی

هر قدر ماده‌ای کوچک‌تر شود، تعداد اتم‌هایی که در سطح قرار می‌گیرند بیشتر می‌شود و با بیشتر شدن اتم‌های روی سطح، نسبت به اتم‌های درون ساختار یک ماده، واکنش‌پذیری آن ماده افزایش می‌یابد.

افزایش واکنش‌پذیری با کاهش اندازۀ ذرات، به این دلیل است که اتم هایی که در داخل هستند، به دلیل عدد همسایگی بیشتر (تعداد اتم‌های اطراف آن بیشتر است)، ظرفیتشان کامل است و تمایلی به انجام واکنش ندارند. اما اتم‌هایی که در سطح هستند به دلیل اینکه با تعداد اتم‌های کمتری در ارتباط‌اند ممکن است تعدادی پیوند ناقص یا کامل نشده داشته باشند، بنابراین واکنش‌پذیری آن‌ها نسبت به اتم‌های داخل ماده بیشتر است.

با توجه به مطالب فوق، اکنون می‌توانیم به سؤال اول فصل در مورد سریع‌تر حل شدن شکر نسبت به قند جواب دهیم.

ابعاد مواد نانو

هرگاه حداقل یک بعد از ابعاد ماده بین 1 تا 100 نانومتر باشد، به آن ماده «نانویی» گفته می‌شود. در نتیجه می‌توان گفت مطابق تصویر زیر سه نوع نانو ذره بر اساس تعداد بعد در ابعاد نانو وجود دارد. در صورتی که هیچ کدام از ابعاد، خارج از محدوده مشخص شده نباشد نانو ذره صفر بعدی یا ذرات نانویی می‌باشد.

نانو ذرات با ابعاد مختلف

نانو ذرات صفر بعدی: ذرات نانویی یا کروی	نانو ذرات تک بعدی: نانوفایبرها یا لوله ها و سیم‌ها	نانو ذرات 2 بعدی: لایه‌های نانویی یا صفحات

تغییر خواص در ابعاد نانو

از جمله خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مواد که بر اثر کوچک شدن ذرات تا ابعاد نانو تحت تأثیر قرار می‌گیرد عبارت‌اند از:

تغییر رنگ

تا به حال به این فکر کرده بودید که فلزاتی مثل طلا و نقره را به رنگ‌های آبی و قرمز ببینیم؟ اگر این اتفاق بیفتد چه تنوع زیادی در ساخت زیورآلات و وسایل تزئینی خواهیم داشت. این اتفاق زمانی قابل تصور است که طلا را به ابعاد نانویی درآوریم.

اگر شما یک انگشتر طلا را به تکه‌های ریز تقسیم کنید باز هم به رنگ اولیۀ خود، زرد یا سفید است؛ در حالی که اگر همین کار را با ابزارهای مشخص انجام داده و به ابعاد نانومتری برسید تغییر رنگ را مشاهده خواهید کرد. ابعاد و شکل هندسی نانو ذرات بر روی رنگ طلا تأثیرگذار خواهد بود.

تأثیر اندازه و شکل هندسی نانو ذرات طلا بر روی رنگ آن

تغییر شفافیت

شفافیت، میزان توانایی هر ماده در عبور نور مرئی از خود را مشخص می‌کند. هر چه میزان عبور نور بیشتر باشد ماده شفاف‌تر خواهد بود. با توجه به خصوصیات هر ماده، آن ماده می‌تواند مقداری از نور را از خود عبور داده، بقیۀ آن را جذب کند یا بازتاب دهد.

اکسید روی و تیتانیوم از مواد بسیار مفید برای جذب نور فرابنفش و تولید کرم‌های ضدآفتاب می‌باشند. این مواد نور مرئی را بازتاب داده، به رنگ سفید دیده می‌شوند که این مسئله برای بسیاری از مصرف کنندگان کرم‌های ضدآفتاب ناخوشایند است. حال اگر از نانوذرات اکسید روی و تیتانیوم استفاده شود، به دلیل اینکه طول موج بازتابیده شده از این مواد از طول موج نور مرئی (700 - 400 نانومتر) کمتر می‌باشد نور مرئی را عبور می‌دهند و دیگر روی پوست سفید دیده نمی‌شوند.

تغییر خواص مکانیکی

خواص مکانیکی مواد نیز تابع اندازۀ ذرات است به‌طوری که با کوچک‌تر شدن اندازۀ ذرات، خواص مکانیکی آن‌ها مثل سختی، خستگی، استحکام کششی، مقاومت به ضربه و... تغییر می‌کند. در ادامه به دو مورد اشاره شده است:

1- سختی

هرچه مقاومت ماده در برابر خراش و نفوذ اجسام دیگر بیشتر باشد، آن ماده سخت‌تر خواهد بود. در خودروها، مقاومت رنگ در برابر خراش، همیشه مورد توجه بوده به‌طوری که بارها دیده شده خراشی کوچک بر سطح خودرو و تماس آن با رطوبت منجر به پوسیدن و زنگ زدن بدنه ماشین شده است. نانو رنگ‌ها و نانو پوشش‌هایی که در صنایع خودروسازی استفاده شده، نسبت به خراش، سه برابر رنگ‌های معمولی مقاومت دارند و علاوه بر آن، شفاف‌تر نیز هستند.

2- خستگی

برای درک خستگی، يک سيم فلزی را تصور کنيد. برای پاره کردن آن چه می‌کنيد؟ آيا آن را می‌کشيد؟ برای پاره کردن سيم فلزی بايد چند بار آن را به سمت بالا و پايين خم کرد. در واقع، بايد جهت نيرو را در هر مرحله عوض کرد. به نيروهايی که به دلیل تغییر جهت، باعث شکست در ماده می‌شوند «خستگی» می‌گویند. بسیاری از سوانحی که در  قطعات صنعتی و ماشین‌آلات اتفاق می‌افتد به دلیل خستگی در فلزات است که باعث شکست آن قطعه می‌شود. خواص خستگی با ریزدانه شدن ماده در ابعاد نانو و کاهش عیوب سطحی بهبود می‌یابد.

خوردگی

در فلزات اتم‌ها در حوزه‌هايی منظم به نام  «دانه» قرار گرفته‌اند. اگر سه دانه با هم برخورد کنند، به آن محدودۀ مشترک بین سه دانه «مرز دانه» می‌گویند. اتم‌هایی که در مرز قرار دارند، متعلق به هيچ دانه‌ای نيستند. در نتيجه با اتم‌های کناری خود تعداد پيوند کمتری برقرار می‌کنند. وقتی مادة خورنده در پوشش نفوذ می‌کند، با اتم‌های مرزِ دانه پيوند تشکيل می‌دهد و مواد جديدی درست می‌کند. مثلاً وقتی آب در آهن نفوذ می‌کند، زنگ آهن درست می‌کند که از نظر ترکيب، هم با آب و هم با آهن فرق دارد. به اين ترتيب، باعث خوردگی می‌شود.

خواص مغناطیسی

یکی از تغییرات خواص جالب و بسیار کاربردی که در ابعاد نانویی به‌وجود می‌آید، ایجاد خاصیت مغناطیسی در بسیاری از موادی است که در ابعاد معمولی آن خاصیت را ندارند، نانو ذرات اکسید آلومینیوم، طلا و غیره جزء این مواد می‌باشند.

از خاصیت مغناطیسی بعضی نانو ذرات در پزشکی و دارو رسانی استفاده می‌شود. استفاده از نانو ذرات مغناطیسی باعث انتقال هدفمند دارو می‌شود که دارو با کنترل میدان مغناطیسی خارجی، بعد از وارد شدن به بدن، در محل بیماری آزاد می‌شود.

تغییر واکنش‌پذيری

مطابق آموخته‌های درس شیمی پایۀ دهم، موادی در طبیعت وجود دارند که وقتی در معرض هوای آزاد قرار می‌گیرند، به دلیل واکنش‌پذیری بالا آتش می‌گیرند.

موادی مثل طلا و اکسید آلومینیم در حالت معمولی در معرض هوای آزاد هیچ واکنشی ندارند ولی تغییر آن‌ها به ابعاد نانویی موجب افزایش سطح تماس این ذرات با محیط اطراف شده و منجر به واکنش‌پذیری می‌شود.

این واکنش‌پذیری آن‌قدر زیاد است که نانو ذرات اکسید آلومینیوم به‌عنوان سوخت موشک و نانوذرات طلا به‌عنوان کاتالیزور مورد استفاده قرار می‌گیرند.

روش‌های ساخت مواد نانو

روش‌های ساخت مواد نانو بسیار گسترده است. به‌طور کلی از میان روش‌های ساخت نانو ذرات می‌توان به دو روش کلیِ بالا به پایین و پایین به بالا اشاره کرد.

در رویکرد بالا به پایین، اندازۀ یک مادۀ توده‌ای و حجیم به‌طور متناوب کاهش داده می‌شود تا به یک ماده با ابعاد نانومتری برسد.

در روش‌های پایین به بالا، از کنار هم قرار دادن اتم‌ها و مولکول‌ها (که ابعاد کوچک‌تر از مقیاس نانو دارند) برای ساخت یک محصول نانومتری استفاده می‌شود.

نانوذرات مختلف و کاربردشان

نانوذرات مختلفی در طبیعت وجود دارند که هر کدام از آن‌ها به تنهایی در صنایع کاربردهای متفاوتی دارند. در ادامه به چند مورد از پر کاربردترین نانوذرات اشاره می‌شود:

نانو تیتانیوم دی‌اکسید

فرمول شیمیایی دی اکسید تیتانیوم، ${{Tio}_{2}}$ است. زمانی که اندازۀ ذرات آن در مقیاس نانو کوچک می‌شود، به دلیل افزایش مساحت سطح مؤثر، فعالیت فتوکاتالیستی آن افزایش می‌یابد.

کاربردهای نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (${{Tio}_{2}}$)

فوتوکاتالیست: به کاتالیزگرهایی گفته می‌شود که در حضور نور فعال می‌شوند.

نانو ذرات ${{Tio}_{2}}$ خاصیت فوتوکاتالیستی داشته که با دریافت نور فعال می‌شوند و عامل OH (هیدروکسیل) را آزاد می‌کنند. این عامل با انجام واکنش‌ها فوتوالکتروشیمیایی منجر به تجزیه ترکیبات آلی (کلر، میکروب و آلاینده) به ${{CO}_{2}}$ و ${{H}_{2}}O$ می‌شود.

نانو ذرات مغناطیسی

خواص مغناطیسی مواد تابع اندازۀ ذرات آنهاست. زمانی که اندازۀ ذرات در محدودۀ نانو قرار می‌گیرند خواص مغناطیسی به‌شدت افزایش می‌یابد. ذرات اكسيد آهن ${{Fe}_{3}}{{O}_{4}}$ نسبت به ساير نانو ذرات مغناطيسی كاربرد زيست پزشکی گسترده‌ای دارند. زيست‌سازگار بودن با شرايط محيط بدن، پايداری و تهيۀ آسان موجب توسعۀ استفادۀ آن‌ها شده است.

کاربرد نانو ذرات مغناطیسی

نانو ساختارهای کربنی

کربن یکی از عناصر شگفت‌انگیز طبیعت است و کاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تأیید می‌کند.

اتم‌های کربن با پیوندهای کووالانسی - که پیوندی قوی و محکم است - به یکدیگر متصل شده‌اند. ساختارهای کربنی در شیمی، گسترۀ وسیعی از تنوع را به خود اختصاص داده‌اند که این گستردگی به دلیل شیمیِ خاص اتم‌های کربن است. با توجه به آنچه در شیمی پایۀ دهم آموخته‌اید، نانو ساختارهای کربنی به سه گروه پرکاربرد گرافن، نانو لوله‌های کربنی و فولرن تقسیم می‌شوند.

در گرافن، اتم‌های کربن در ساختار لایه‌ای لانه زنبوری توسط نیروی کوالانسی با هم پیوند دارند. وجود نیروی کوالانسی باعث شده گرافنِ چند لایه، استحکام کششی تا 200 برابر فولاد داشته باشد. وجود یک الکترون آزاد درون ساختار گرافن باعث می‌شود رسانندگی بالایی داشته باشد و جایگزین مس شود.

گرافن به‌صورت کم لایه (5 - 3) و ضخیم (30 - 20) تولید می‌شود به‌طوری که هرچه تعداد لایه‌ها کمتر باشد، پخش شدن لایه درون مادۀ اصلی بیشتر است و در نتیجه باعث بهبود خواص آن خواهد بود.

نانو لوله‌های کربنی از همان صفحات گرافن تشکیل شده‌اند که به صورت میله‌ای پیچیده شده‌اند. این نانو لوله‌ها قطر مشخص دارند و به‌صورت تک‌لایه و چندلایه می‌باشند.

فولرن نیز بر اساس تعداد اتم‌های کربنی که به هم متصل‌اند می‌تواند در انواع C50، C60، C70 و... باشد که در شکل زیر نشان داده شده است.

کامپوزیت و نانوکامپوزیت

به تصاویر زیر توجه کنید. آیا تا به حال به این موضوع فکر کرده‌اید که چرا در گذشته برای ساختن خانه‌ها گل را با کاه مخلوط می‌کردند؟

کاهگل به‌عنوان قدیمی‌ترین مادۀ مرکبی شناخته می‌شود که از ترکیب دو مادۀ جدا (کاه و گل) به‌دست می‌آید. در نتیجه «کامپوزیت» یا «مادۀ مرکب» به ماده‌ای اطلاق می‌شود که از ترکیب دو ماده به‌دست آمده و خواصی بهتر از دو مادۀ اولیه دارد.

مواد کامپوزیتی از دو جزء تشکیل شده‌اند. یک جزء، جزء اصلی می‌باشد که «فاز ماتریس» یا «پایه» نامیده می‌شود و جزء دیگر به عنوان تقویت کننده استفاده می‌شود مثلا در ترکیب  کاهگل، گلِ به عنوان فاز ماتریس و پایه می‌باشد چون اکثر ترکیب را تشکیل داده است و کاه به عنوان فاز تقویت کننده است. کامپوزیت‌ها براساس نوع مادۀ ماتریس (فاز زمینه) به سه دستۀ کلی فلزی، سرامیکی و پلیمری تقسیم می‌شوند.

سرامیک: به مواد جامدی گفته می‌شود که بخش عمده تشکیل دهنده آن‌ها غیر فلزی و غیرآلی می‌باشد. اکسید فلزات نیز جزء دسته سرامیک‌ها قرار می‌گیرد. سرامیک‌ها دارای خواصی از جمله استحکام؛ مقاومت بالا در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش می‌باشند.

روش‌های ساخت	متالورژی پودر ریخته‌گری	پرس داغ زینترِ کردن	دستگاه اکسترودر و تزریق لایه‌گذاری دستی
کاربردها	- صنعت الکترونیک - صنایع هوافضا و خودروسازی - موتورهای احتراق داخلی	- قطعات مشعل - مشعل حرارتی - قالب پرس داغ	- صنایع خودرو، کشتی‌سازی و هوافضا - صنایع کشاورزی - لوازم هنری
نمونه قطعات

حال اگر در مادۀ مرکب تولید شده، جزء تقویت کننده ابعاد نانومتری داشته باشد، به آن مادۀ مرکب «نانو کامپوزیت» می‌گویند. نانو کامپوزیت‌ها نیز به همان سه گروه (فلزی، سرامیکی و پلیمری) براساس فاز زمینۀ خود تقسیم می‌شوند. به دلیل خواص منحصر به فرد نانو ذرات، این مواد در صنایع و خدمات کاربرد بیشتری دارند و عملکرد بهتری نسبت به کامپوزیت‌ها خواهند داشت.

مواد هوشمند

آیا تا به حال به این موضوع فکر کرده‌اید که ای‌کاش این امکان وجود داشت بعد از تصادف ماشین، دیگر نیازی به صافکاری نباشد؟ و یا اینکه کفشی را از مغازه بخرید و براساس رنگ لباسی که می‌پوشید تغییر رنگ بدهد و به رنگ دلخواه شما در آید؟

در کتاب علوم تجربی با کاغذ تورنسل آشنا شده‌اید که بر اساس محیط اسیدی و بازی که در آن قرار می‌گیرد تغییر رنگ می‌دهد. به‌نظر شما این موادی که در هر شرایط محیطی، رفتار متفاوتی را از خود به جا می‌گذارند چه نام دارند؟

مواد هوشمند، موادی هستند که شرایط محیطی را حس کرده و با پردازش اطلاعاتِ حسی، نسبت به محیط عمل می‌کنند و یا اینکه شرایط محیطی را به خاطر می‌سپارند و با محرک‌های مناسب به آن شرایط باز می‌گردند. مواد کرومیک جزء مواد هوشمند می‌باشند که با تغییرات محیطی رنگ متفاوتی را از خود نشان می‌دهند. تغییرات محیطی می‌تواند شیمیایی، الکتریکی، نوری، مکانیکی و دمایی باشد.

مواد هوشمند کرومیک

مواد حافظه‌دار

چنانچه بخواهید یک قطعه، در صورت تغییر شکل به راحتی به حالت قبل خود برگردد باید از موادی استفاده شود که حالت قبل از تغییر شکل را در حافظۀ خود داشته باشد. یکی از مواد طبیعی که این خصوصیت را در خود دارد ماده‌ای به نام «نیتینول» است که عملکرد آن به صورت زیر می‌باشد:

زیست‌فناوری

به نحوۀ تولید واکسن و دارو فکر کرده‌اید؟ یا اینکه درختانی داشته باشیم که سرعت رشد آن‌ها خیلی زیاد باشد و برای تولید کاغذ مجبور به قطع کردن درختان جنگل نشویم؟

با توجه به جمعیت رو به رشد جهان، در اواسط قرن حاضر جمعیت جهان به دو برابر خود می‌رسد. باید ضمن صرفه‌جویی در استفاده از منابع موجود مثل انرژی، محصولات کشاورزی، دامی و دریایی محیطی را برای افزایش آن‌ها ایجاد کرد.

«زیست‌فناوری» یا همان «بیوتکنولوژی» علمی است که به استفاده بهینه از منابع طبیعت به وسیلۀ مطالعۀ دقیق جهان می‌پردازد؛ به‌طوری که سلامت موجودات زنده، زمین و انسان‌ها تأمین شود.

برای رسیدن به این هدف از موجودات ریز میکروسکوپی، گیاهان، جانوران و محصولات مشتق شده از آن‌ها استفاده می‌شود.

زیست‌فناوری در ایران سابقۀ تاریخی دارد به‌طوری که دانشمندانی چون شیخ بهاءالدین محمدبن حسین عاملی معروف به «شیخ بهایی» در دورۀ صفویه در طراحی حمام از این فناوری استفاده کرده است. در طرح شیخ بهایی به‌وسیلۀ یک شعله شمع، حمام را گرم می‌کرده‌اند.

زیست‌فناوری با موجودات زنده سروکار دارد و به دنبال تغییر خصوصیات در مواد زنده می‌باشد پس شناخت سلول به‌عنوان کوچک‌ترین عضو یک موجود زنده ضروری است. باکتری‌ها موجوداتی تک‌سلولی‌اند که این تک‌سلول تمام عملکردهای آن‌ها مثل تغذیه، دفع مواد زائد و تولید مثل را بر عهده دارد. بدن انسان از 50 تا 75 تریلیون سلول تشکیل شده است.

شکل زیر سه نوع سلول مختلف را نشان می‌دهد که از قسمت‌های مختلفِ پوسته یا غشای سلولی، سیتوپلاسم و هسته تشکیل شده‌اند.

ژن‌ها مشخص کنندۀ صفات موجود زنده‌اند که بخشی از شاخه‌های DNA می‌باشند. DNA درون هسته سلول قرار دارد و از پیچیده شدن آن‌ها به هم کروموزوم تشکیل می‌شود. در نتیجه برای تغییر خصوصیات یک موجود زنده لازم است که ژن درون هسته سلول تغییر کند که از این اصل (دستکاری ژن‌ها) در زیست‌فناوری استفاده می‌شود.

با توجه به اینکه جمعیت جهان هر روز رو به افزایش است، پس به غذای بیشتر، محیط‌زیست سالم‌تر و امکانات افزون‌تر نیاز است. زیست‌فناوری به‌عنوان یکی از راه‌حل‌های موجود، در شاخه‌های مختلف علوم زیستی (به شرح تصویر زیر) استفاده می‌شود.

بعضی کاربردهای زیست‌فناوری

زیست‌فناوری و انرژی پاک

رو به اتمام بودن سوخت‌های فسیلی مثل نفت و بنزین و...، گران بودن و ضررهای ناشی از استفادۀ آن‌ها مثل آلودگی محیط‌زیست، باعث شده انسان‌ها به استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر سوخت‌زیستی (انرژی پاک) روی آورند.

«سوخت زیستی» از موجودات زنده و سوخت‌وساز محصولات فرعی (مواد زائد آلی یا مواد غذایی) تولید می‌شود. منابع «زیست‌توده» که در شکل زیر نشان داده شده است، سوخت زیستی می‌باشند. امروزه زیست‌فناوران از زباله‌هایی که در شهرها جمع‌آوری می‌شود و تهدیدی برای محیط‌زیست است، الکل تهیه می‌کنند. این الکل جایگزین مناسبی برای بنزین و سوخت‌های فسیلی است و در سیستم‌های حمل‌ونقل بسیاری از کشورها به‌کار می‌رود.

سوخت‌زیستی به سه دسته کلی بیو‌دیزل، بیواتانول و بیوگاز تقسیم می‌شود که چرخۀ تولید این سوخت‌های دیزلی در شکل زیر نشان داده شده است.

انواع سوخت‌های زیستی

زیست‌فناوری و دریا

بیش از 70 درصد از سطح زمین را آب فرا گرفته است و این آب‌ها بیش از 80 درصد موجودات زنده را در خود جای داده‌اند.

با توجه به موضوع فوق، دریا و موجودات زندۀ درون آن موضوع جالبی برای زیست‌فناوران هستند، به‌طوری که از موجودات دریا ترکیبات خاصی مانند داروهای ضدسرطان، آنتی‌بیوتیک‌ها، مواد آرایشی، افزودنی‌های غذایی و... ساخته می‌شود.

«زیست‌فناوری دریایی» یکی از حوزه‌های در حال رشد در جهان است که با کمک آن، از موجوداتی مانند ماهی، جلبک و یا باکتری‌ها برای رسیدن به سه هدف کلی استفاده می‌شود:

ذخیره، حفاظت و مدیریت اکوسیستم‌های دریایی

تولید فراورده‌های جدید

شیلات و پرورش آبزیان