پیشینه  الگوریتم ژنتیک چند هدفه (NSGA)

الگوریتم­های تکاملی متعددی برای یافتن پاسخ­های نامغلوب مسائل چندهدفه توسعه داده شده ­اند، که از جمله­ آن­ها می­توان به الگوریتم ژنتیک با مرتب­سازی نامغلوب  اشاره کرد. در بهینه­یابی چندهدفه، چند تابع هدف مختلف وجود دارند که تمایل به یافتن کمینه یا بیشینه­ی آن­ها به­ طور هم­زمان وجود دارد. اغلب این توابع هدف در نقطه­ی مقابل یک­دیگر قرار دارند، به­ طوری­ که بهبود یکی از آن­ها، با بدتر شدن دیگری مواجه می­ شود. بنابراین در این­گونه مسائل برخلاف مسائل تک­هدفی که تنها یک نقطه­ی اکسترمم برای مسئله وجود دارد، مجموعه ­ای از پاسخ­های بهینه به عنوان جواب به­دست می­آیند که به اصطلاح نقاط بهینه­ پارتو یا منحنی پارتو خوانده می­شوند.

روش­های بهینه­یابی چندهدفه­ی مبتنی بر پارتو، در مقایسه با روش­های بهینه­یابی تک­هدفه، دارای مزایایی می­باشند. اول این­که، پاسخ بهینه­ پارتو دربردارنده­ی مجموعه ­ای از پاسخ­ها می­باشد که   می ­تواند شامل پاسخ­هایی که دارای نقض قید می­باشند نیز باشد، بنابراین یک پاسخ با نقض قید مجاز اگر ارزش تابع هدف بالایی داشته باشند، نیز می ­تواند در نظر گرفته شود. دوم این­که، با تجزیه­ی مسئله­ اصلی به چندین مسئله، اهداف مختلف انعطاف پذیری بیشتری در جست­وجوی فضای پاسخ خواهند داشت.

الگوریتم ژنتیک با مرتب سازی نامغلوب، یکی از مطرح ترین و پرکاربردترین الگوریتم های بهینه سازی در زمینه ی بهینه سازی چندهدفه می باشد. اسرینیباس و دِب در سال ۱۹۹۵ روش بهینه سازی (NSGA)  را برای حل مسائل بهینه سازی چند هدفه معرفی نمودند. نکات برجسته ای که در مورد این روش بهینه سازی وجود دارند، عبارتند از:

• جوابی که هیچ جواب دیگری، به طور قطع بهتر از آن نباشد، دارای امتیاز بیشتری است. جواب ها بر اساس این که چند جواب بهتر از آن ها وجود داشته باشند، رتبه بندی و مرتب می شوند.
• شایستگی (برازندگی) برای جواب ها بر حسب رتبه آن ها و عدم غلبه سایر جواب ها، اختصاص می یابد.
• از شیوه اشتراک برازندگی (Fitness Sharing) برای جواب های نزدیک استفاده می شود تا به این ترتیب پراکندگی جواب ها به نحو مطلوبی تنظیم شود و جواب های به طور یکنواخت در فضای جستجو پخش شوند.

با توجه به حساسیت نسبتا زیادی که نحوه عملکرد و کیفیت جواب های الگوریتم (NSGA) به پارامترهای اشتراک برازندگی و سایر پارامترها دارند، نسخه دوم این الگوریتم با نام (NSGA-II)

توسط دِب و همکارانش در سال ۲۰۰۰ معرفی گردید [54]. ویژگی های عمده این الگوریتم عبارتند از:

• تعریف فاصله تراکمی (Crowding Distance) به عنوان ویژگی جایگزین برای شیوه هایی مانند اشتراک برازندگی
• استفاده از عملگر انتخاب تورنومنت دو-دویی
• ذخیره و آرشیو کردن جواب های نامغلوب که در مراحل قبلی الگوریتم به دست آمده اند (نخبه گرایی)

در فصل بعد پس از ارائه مدل ریاضی مورد نظر، به طور کامل در مورد این الگوریتم و ویژگی های آن بحث خواهیم کرد.

برای نانوذرات تعاریف متعددی ارائه شده است اما به طورخاص نانوذرات دارای قطری بین 1 تا 250 نانومترمی‌باشند، به عبارتی آنها درحوزهای ما بین اثرات کوانتومی اتمها، مولکولها و خواص مواد توده‌ای قرار می‌گیرند. موادمختلف دراین مقیاس از خود خواص متفاوت و جالبی را بروز می‌دهند. توانایی ساخت وکنترل ساختار نانوذرات به دانشمندان و مهندسین امکان می‌دهد خواص حاصله را تغییر داده و بتوانند خواص              مطلوب را در مواد طراحی کنند. موارد فوق العاده گسترده‌ای وجود دارند که اندازه فیزیکی ذره می‌تواند خواص بهبود یافته‌ای را به وجود آورد. مثلاً اندازه کوچک ذرات امکان صیقل دهی ظریفتر سطوح را فراهم می‌کند. نانوذرات مغناطیسی به دلیل داشتن یک سری ویژگی های خاص مانند: (1) سهولت سنتز، (2) مساحت سطح به حجم زیاد به دلیل داشتن ابعاد نانومتری، (3) خاصیت سوپرپارامغناطیسی که باعث می­ شود این ذرات به میدان مغناطیسی خارجی پاسخ دهند و در غیاب میدان خارجی خاصیت مغناطیسی خود را از دست بدهند، (4) عدم نیاز به مراحل فیلتراسیون و سانتریفیوژ کردن در طی فرایند استخراج، (5) توانایی استخراج از حجم زیاد نمونه­ها می‌توانند در استخراج  و حذف گونه های مختلف آلی و معدنی به ویژه آلاینده­های محیطی و جداسازی داروها از نمونه­های بیولوژیکی به کار گرفته شوند ] 2,1[. نانوذرات به قدری کوچک هستند که می‌توان گفت بی‌نظمی چندانی در آنها وجود نداشته و لذا فلزات پرقدرت و بسیار سخت را می‌توان از آنها تولید کرد. مساحت سطح بالای آنها نیز سبب تولید کاتالیزور کاراتر و مواد پر انرژی می‌گردد

1-2- ماهیت مغناطیسی نانوذرات

در مواد مغناطیسى، مولکول‌ها و اتم‌های سازنده‌ى آن خاصیت مغناطیسی دارند.  به بیان ساده‌تر عناصرى مانند آهن، کبالت، نیکل و آلیاژهای آنها که توسط آهنربا جذب می‌گردد، مواد مغناطیسی نامیده می‌شود. طبقه بندى مواد مغناطیسی براساس پذیرفتارى مغناطیسى(X)  (قابلیت مغناطیسی شدن ماده) انجام می‌شود براین اساس مواد را به سه گروه فرومغناطیس، پارامغناطیس و دیامغناطیس دسته بندی می‌کنند]1[. در مواد دیامغناطیس برایند گشتاور دوقطبی مغناطیسی صفر است و درحضور میدان مغناطیسى، گشتاور دوقطبی در آنها القا می‌شود، اما جهت این دوقطبی هاى القا شده برخلاف جهت میدان مغناطیسی خارجی است که باعث می‌شود ماده‌ی ‌دیامغناطیس از میدان مغناطیسی دفع شود. با حذف میدان مغناطیسی خارجى، خاصیت مغناطیسی این مواد باقی نمی‌ماند. پذیرفتارى مغناطیسی در این مواد خیلی کم می‌باشد. تمام گازها (جز اکسیژن)، آب، نقره، طلا، مس، الماس، گرافیت، بیسموت و بسیاری ازترکیبهای آلى دیامغناطیس هستند. در ماده‌ی پارامغناطیس، دوقطبی‌هاى مغناطیسی داراى سمت‌گیرى مشخص و منظمی نیستند، در نتیجه این مواد خاصیت مغناطیسی ندارند. اگر آنها درون یک میدان مغناطیسی قرار داده شوند، در راستای خط‌هاى میدان مغناطیسی منظم می‌شوند.

حذف فلزات سنگین از فاضلاب‌های صنعتی با بهره گرفتن از نانو ذرات مگهمایت اصلاح شده با پلیمرهای سنتزی جدید

- ماهیت مغناطیسی نانوذرات

در مواد مغناطیسى، مولکول‌ها و اتم‌های سازنده‌ى آن خاصیت مغناطیسی دارند.  به بیان ساده‌تر عناصرى مانند آهن، کبالت، نیکل و آلیاژهای آنها که توسط آهنربا جذب می‌گردد، مواد مغناطیسی نامیده می‌شود. طبقه بندى مواد مغناطیسی براساس پذیرفتارى مغناطیسى(X)  (قابلیت مغناطیسی شدن ماده) انجام می‌شود براین اساس مواد را به سه گروه فرومغناطیس، پارامغناطیس و دیامغناطیس دسته بندی می‌کنند]1[. در مواد دیامغناطیس برایند گشتاور دوقطبی مغناطیسی صفر است و درحضور میدان مغناطیسى، گشتاور دوقطبی در آنها القا می‌شود، اما جهت این دوقطبی هاى القا شده برخلاف جهت میدان مغناطیسی خارجی است که باعث می‌شود ماده‌ی ‌دیامغناطیس از میدان مغناطیسی دفع شود. با حذف میدان مغناطیسی خارجى، خاصیت مغناطیسی این مواد باقی نمی‌ماند. پذیرفتارى مغناطیسی در این مواد خیلی کم می‌باشد. تمام گازها (جز اکسیژن)، آب، نقره، طلا، مس، الماس، گرافیت، بیسموت و بسیاری ازترکیبهای آلى دیامغناطیس هستند. در ماده‌ی پارامغناطیس، دوقطبی‌هاى مغناطیسی داراى سمت‌گیرى مشخص و منظمی نیستند، در نتیجه این مواد خاصیت مغناطیسی ندارند. اگر آنها درون یک میدان مغناطیسی قرار داده شوند، در راستای خط‌هاى میدان مغناطیسی منظم می‌شوند. با حذف میدان مغناطیسى، دوقطبی‌هاى مغناطیسی دوباره به سرعت به وضعیت قبلی که درغیاب میدان داشتند، برمی‌گردند. به این ترتیب، مواد پارامغناطیس درمیدان‌هاى مغناطیسی قوی خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند. پذیرفتارى مغناطیسی این مواد مقدارى مثبت می‌ باشد. منگنز، پلاتین، آلومینیم، فلزهاى قلیایى و قلیایی خاکى، اکسیژن و نیترون‌اکسید پارامغناطیس هستند. مواد فرومغناطیس مانند مواد پارامغناطیس است، با این تفاوت که مجموعه‌اى ازدوقطبی‌هاى مغناطیسی در یک جهت و راستا قرار دارند که خود این مجموعه‌ها در راستا و جهت‌هاى متفاوتی قرارمی‌گیرند، به طورى که اثر میدان یکدیگر را خنثى می‌کنند. به این مجموعه از دوقطبی‌هاى مغناطیسی که در یک راستا قرار دارند، حوزه‌ى مغناطیسی می‌گویند. خاصیت مغناطیسی این مواد به سرعت تغییر مسیر این حوزه‌ها و قرار گرفتن در جهت میدان بستگی دارد]3 [. خاصیت مغناطیسی به مقدار بسیار زیادی به اندازه‌‌ی‌ ذره وابسته است. هر ماده‌ی‌ مغناطیس درحالت توده، ازحوزه‌های مغناطیسی تشکیل شده‌است. هرحوزه داراى هزاران اتم است که در آن جهت چرخش الکترونها یکسان وگشتاورهای مغناطیسی به صورت موازی جهت یافته اند. اماجهت چرخش الکترون‌های هرحوزه با حوزه‌های دیگر متفاوت است. هرگاه، یک میدان مغناطیسی بزرگ، تمام حوزه‌های مغناطیسی را هم‌ جهت کند، تغییر فاز مغناطیسی رخداده و مغناطیسی شدن به حداشباع میرسد. هرذره‌ای که تنها شامل یک حوزه باشد، میتواند نانوذره به شماررود. نانوذرات مغناطیسی دارای تعداد حوزه‌های کمی هستند و مغناطیسی شدن آنها ساده‌تر است. در مواد فرومغناطیس وقتی اندازه‌ی ذره از یک حوزه‌ی مغناطیسیِ منفرد کوچکتر گردد، پدیده‌ی ابرپارامغناطیس)متصل نشدن ذرات مغناطیسی در ابعاد نانو در شرایط عادى و حساسیت بالاى آنها به میدان مغناطیسى(، به وقوع می‌پیوندد. چون نانوذرات نیاز به نیروی زیادی برای مغناطیسی شدن ندارند، خیلی ازحالت طبیعی فاصله نمی‌گیرند و پس از مغناطیسی شدن تمایل چندانی برای ازدست دادن خاصیت مغناطیسی وباز گشت به وضعیت اولیه را ندارند]3[.

از جمله کاربردهای نانوذرات می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

- ذخیره اطلاعات: نانوذرات مغناطیسی با اندازه 2 تا 20 نانومتر می‌توانند به عنوان ابزاری برای ذخیره اطلاعات در کارت‌های مغناطیسی استفاده شوند.

- نانوکامپوزیت‌های مغناطیسی: با توزیع و اندازه دانه‌ی مناسب نانوذرات مغناطیسی در بستر مواد پلیمرﻲ می‌‌توان نانوکامپوزیت‌هایی با خاصیت مغناطیسی به دست آورد. که کاربرد زیادی را در سنسورها، پوشش‌های الکترومغناطیس و مواد جاذب امواج، دارا می‌‌باشند  ]4[.

- فروسیال‌ها(محلول‌های مغناطیسی): فروسیال‌ها، محلول‌هایی هستند که در آن نانوذرات مغناطیسی (مانند: آهن و کبالت)، به صورت کلوئید در مایعی معلق می‌باشند و به آن خاصیت مغناطیسی می‌‌بخشند. هر چه اندازه‌ی نانوذرات مغناطیسی کوچک‌تر باشد، محلول خاصیت مغناطیسی بیشتری از خود نشان می‌دهد. از جمله کاربردهای فروسیال‌ها می‌توان به کاربرد آن به عنوان خنک‌ کننده نام برد. هم‌چنین از این محلول‌ها برای به حرکت در‌آوردن سیال‌ها در تراشه‌ها به وسیله‌ی نیروی مغناطیسی استفاده می‌شود.

-کاربرد نانوذرات مغناطیسی درتشخیص ودرمان بیماریها

الف) گرما درمانی مغناطیسى

ب) تصویر برداری تشدید  مغناطیسى

گرما درمانی یکی از روش‌های درمان سرطان است که برای آسیب رساندن به سلولهاى سرطانی و نابودى آنها، بافت بدن را درمعرض گرماى43 درجه‌ی سانتی‌گراد قرار  می‌دهند نانوذرات می‌توانند دراثرمیدانهاى مغناطیسی متناوب گرما تولیدکنند. میزان گرماى تولید شده بستگی به نوع ذره،خواص مغناطیسی آن و عوامل موثر بر روى میدان مغناطیسی دارد ]5[.

تصویر برداری تشدید مغناطیسی  (MRI)یک ابزارتشخیصی غیرتهاجمی است که با بهره گرفتن از یک میدان مغناطیسی قوى خارجى، تصاویری دقیق و همراه با جزییات را از ساختارهاى داخل بدن ایجاد می‌کند. با بهره گرفتن از نانوذرات مغناطیسی به خصوص آهن اکسید، شناسایی بافتهای آسیب دیده با حساسیت بسیار بالا و با مقدارکم مواد تزریقی انجام می‌شود. این تصویر بردارى براساس تحریک پروتونهای هسته‌ی‌‌‌(هیدروژن ) مولکول آب انجام می‌شود ]6[.

ج) نانوذرات مغناطیسی به عنوان ابزارتشخیصی

یکی از روش های تشخیص نانومولکولی، استفاده از نانوذراتی مانند نانوذرات طلا، نانوذرات مغناطیسی و نقاط کوانتمی است، آنها با اتصال به پادتنی مناسب برای شناسایی مولکولها و ساختارهای خاص مورد استفاده قرارمی‌گیرد]6[.

د) دارورسانی هدفمند و ژن درمانى

یکی از اهداف فناوری نانو سوارکردن داروها بر روی مواد حامل (نانوذره) وسپس فرستادن و رهاکردن آنها به درون سلول هدف است که به آن دارورسانی هدفمند اطلاق می‌شود. نانوذرات مغناطیسی براى انتقال دارو درکاربردهای عملی بسیار مورد توجه هستند]6 [.

. Magnetic nanoparticles

. Chips

- نانو ذرات مغناطیسی اکسید آهن

عنصر آهن به طور طبیعی دارای سه اکسید طبیعی هماتیت، مگنتیت، و مگهمیت می­باشد. هماتیت فراوان­ترین نوع از اکسیدهای آهن می­باشد و نسبت به دو نوع دیگر دارای پایداری بیشتری می­باشد. گونه­ های دیگر نیز در نهایت به این گونه تبدیل می­شوند.

مگنتیت از لحاظ مغناطیسی، فرو مغناطیس می­باشد و در بین فلزات واسطه بیشترین خاصیت مغناطیسی را دارد. این اکسید آهن مشکی رنگ است. در واقع به علت خاصیت مغناطیسی خیلی زیاد مگنتیت و افزایش این خاصیت برای ذراتی با گستره ی شعاعی در حد نانومتر، مطالعات بسیار زیادی در زمینه­ سنتز و کاربرد این ذرات انجام گرفته است]7[.

1-5- روش­های سنتز نانوذرات مغناطیسی

برای تولید نانو ذرات روش های بسیار متنوعی وجود دارد. از جمله روش­های میکروامولسیون[9،8]، روش­های سل- ژل[10]، روش‌های فازگازی[11]،  معمول­ترین روش ساخت نانو ذرات مغناطیسی، روش هم­رسوبی نمک­های آهن در محیط قلیایی است[13،12]. روش هم­رسوبی ساده­ترین و پر بازده­ترین روش شیمیایی برای بدست آوردن این ذرات است. همچنین این روش‌ معمولاً‌ کم هزینه و با بازدهی بالا می­باشد[14]. بنابراین در این تحقیق از روش هم­رسوبی نمک­های آهن در محیط قلیایی برای ایجاد ذرات نانو استفاده گردیده تا بتوانیم با نانو ذرات حاصل شده، خالص سازی­های بهتر، سریع تر و با راندمان بالاتر را ایجاد نماییم.

1-5-1- روش همرسوبی

همرسوبی یک روش ساده و بی­دردسر برای سنتز اکسیدهای آهن (Fe₃O₄ و -Fe₂O₃γ) از محلول­های آبی [Fe²⁺/Fe³⁺] از طریق افزایش یک باز (قلیا) تحت اتمسفر بی‌اثر و در دمای اتاق یا دماهای بالا می­باشد. اندازه، شکل و ترکیب نانوذرات مغناطیسی تولید شده به میزان زیادی به نوع نمک­های مصرفی (کلراید، سولفات، نیترات و پرکلرات)، نسبت Fe²⁺/Fe³⁺، دمای واکنش، pH و قدرت یونی محیط بستگی دارد. با این روش سنتزی در صورت ثابت بودن شرایط سنتز، کیفیت نانوذرات تولید شده کاملاً تکرار پذیر خواهد بود.

معمولاً مگنتیت (Fe₃O₄) با افزودن یک باز (قلیا) به مخلوط آبی از کلرید آهن II و III در یک نسبت مولی 2:1 تهیه می­ شود. رسوب مگنتیت سیاه رنگ می­باشد. می­دهد. واکنش کلی به این صورت نوشته می­ شود:

Fe²⁺ + 2Fe³⁺ + 8OH^-                                      Fe₃O₄ + 4H₂O

بر طبق ترمودینامیک این واکنش، در نسبت مولی 1 به 2 از Fe²⁺ به Fe³⁺ و تحت محیط عاری از اکسیژن رسوب کاملی از Fe₃O₄، در pH 9 تا 14، تشکیل خواهد شد. در غیر این صورت Fe₃O₄  حاصل ممکن است به صورت زیر اکسید شود:

Fe₃O₄ + 0.25O₂ +4.5 H₂O                     3Fe (OH) ₃

این مسأله به میزان زیادی روی خواص فیزیکی و شیمیایی نانوذرات مغناطیسی سنتز شده تأثیرگذار است. برای ممانعت از اکسیداسیون احتمالی ذرات در هوا و همین طور جلوگیری از تجمع آن­ها، نانوذرات سنتز شده معمولاً با مولکول­های آلی یا معدنی در طول فرایند پوشیده می­شوند. برای کنترل سینتیک فرایند که شدیداً به سرعت اکسایش گونه­ های آهن بستگی دارد، سنتز ذرات باید در محیطی عاری از اکسیژن و با عبور دادن گاز نیتروژن از ظرف واکنش انجام شود. عبور گاز نیتروژن از درون محلول نه تنها از اکسایش مگنتیت جلوگیری می­ کند بلکه اندازه ذرات را در مقایسه با روش های بدون حذف اکسیژن کاهش می­دهد [16,15].

-Micro emulsion