وبلاگ شیمی - زندگی - سلامت wellcome to my weblog

 کاربرد مواد نانو ساختار در محیط زیست

کاتالیست‏های زیست محیطی

از زمینه‏های دیگر کاربردهای مواد نانوساختاری، استفاده از آنها به عنوان کاتالیزورهای زیست محیطی برای تصفیه خروجی اگزوز اتومبیل‏ها و پالایش آب و هواست. کاتالیزورهای رایج که اغلب پایه پلاتین دارند، اگرچه راندمانشان کافی است، اما بسیار گران قیمت‏اند. به همین جهت کاتالیزورهای نانوساختاری به عنوان جایگزین ارزان قیمت کاتالیزورهای یاد شده مورد توجه قرار گرفته‏اند.

نانوپلیمرهای متخلخل

هنگامی که آلاینده‏های آلی آب گریز از طریق آب وارد خاک می‏شوند، به راحتی توسط ذرات جامد غیرمحلول در آب جذب و از آب جدا می‏شوند. پدیده جذب و دفع این گونه آلاینده‏ها از آب به خاک و از خاک به هوا بسیار پیچیده است و به عوامل متعددی از قبیل حلالیت در آب، آب موجود در شبکه خاک و رقابت اجزای مختلف خاک برای جذب این ذرات بستگی دارد. هنگامی که بیش از یک مولکول آب گریز در محیط وجود داشته باشد، مولکول‏های آلاینده به جسمی متصل می‏شوند که از لحاظ شیمیایی بیشترین شباهت را به آنها داشته باشد. به همین دلیل نانوپلیمرهای متخلخل که شباهت زیادی به مولکولهای مواد آلاینده دارند، مناسب‏ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده‏های آلی از آب و خاک به شمار می‏روند.

به طور کلی کاربردهای زیست‏محیطی این نانوساختارها عبارتند از:

1. جداسازی آلاینده‏های آلی از آب آشامیدنی.

2. تصفیه پسابهای واحدهای صنعتی مانند نیروگاه‏های هسته‏ای برای استفاده مجدد از آنها

3. پاکسازی منابع آبی آلوده شده به مواد نفتی

4. پاکسازی منابع آب زیرزمینی از آلاینده‏های آلی

امروزه برخی از قطعات رایانه‌ها را از نانوپلیمرهای متخلخل می سازند، مانند صفحه کلید، موس‌پد و غیره.نانوپلیمرهای متخلخل، مناسب‌ترین وسیله برای موس‌پد هستند!

با استفاده از سیکلودکسترین‌ها به عنوان اجزای اصلی این مواد پلیمری، دستة جدیدی از پلیمرهای آلی با تخلخل‌های بسیار ریز (قطر تخلخل این ترکیبات حدود 0.7 تا 1.2 نانومتر است) تولید شده‌اند. این‌گونه نانوپلیمرهای متخلخل قادرند که غلظت‌ آلاینده‌های موجود در آب شُرب را تا حد چند قسمت در تریلیون (ppt) کاهش دهند.

ویژگی‌های دیگر نانوپلیمرهای متخلخل به شرح ذیل‌ است:

قدرت چسبندگی مولکول‌های آلی به این نوع پلیمرها حدود صدهزار برابر قوی‌تر از اتصال آنها به جاذب‌های معمولی از قبیل کربن‌های فعال است. عملکرد مناسب آن در آب و هوا تقریباً یکسان است.با توجه به این که نانوپلیمرهای متخلخل به کرات مورد استفاده قرار می‏گیرند، بنابراین هزینه‏های تصفیه به مراتب کمتر می‏شود وکمک شایانی به حفظ منابع آب موجود می‌کنند.

نانولوله‌های کربنی جاذب گازهای سمی

طبق تحقیقات وسیع انجام‌گرفته، نانولوله‌های کربنی مناسب‌ترین وسیله برای جذب آلاینده‌های سمی از قبیل دیوکسین‌ها و دیگر آلاینده‌های موجود در گاز خروجی از دودکش‌های کوره‌های زباله‌سوز به شمار می‌روند. مواد سمی از نوع دیوکسین‌ عموماً محصول جانبی بسیاری از فرآیندهای صنعتی‌اند که ضمن پایداری فراوان، باعث آلودگی بلندمدت هوا، خاک،‌ آب و در نهایت زنجیرة غذایی موجودات زنده می‌شوند. برخی از دیوکسین‌ها سرطان‌زا هستند و بسیاری از آنها باعث اختلال در سیستم ایمنی بدن انسان‌ها می‌شوند. اگرچه در سال‌های اخیر بسیاری از کشورها تولید این ماده را به‌شدت تحت کنترل قرار داده‌اند، لیکن هنوز خطرات زیست‌محیطی آن کماکان تهدیدکننده به شمار می‌آیند. اگرچه نانولوله‌های کربنی مناسب‌ترین وسیله برای جذب آلاینده‌های سمی مانند دیوکسین‌اند، ولی در حال قیمت بسیار زیادی دارند. تحقیقات دامنه‌داری برای تولید ارزان نانولوله‌‌ها ی کربنی  در جریان است.در ضمن استفاده از نانولوله‌های کربنی در نمایشگرهای کامپیوتری به کاهش مصرف فلزات سنگین در آنها کمک می‌کند و از این طریق از آسیب به محیط زیست می‌کاهد.

کاهش تاثیرآلاینده ها به محیط زیست

فناوری نانو این امکان را ایجاد کرده است که مواد طوری مصرف شوند که به طور موثری ورود آلاینده های ناشی از فعالیت های انسانی به محیط زیست را کم کنند. حرکت با برنامه به سمت برخی صنایع منجر به کاهش آسیب به طبیعت خواهد شد. این کار به کمک فناوری نانو امکان پذیر است.

استفاده کمتر از ماده و انرژی

فناوری نانو راه هایی  برای کاهش مصرف ماده و انرژی ارائه می دهد. یک راه استفاده از قدرت نانومواد است. نانومواد عمدتاً فعال تر از مواد حجیم هستند. بنابراین یا مقدار کمتری از آن ها مورد نیاز است یا توانایی آن مواد (مثل عایق ها) به طور چشم گیری افزایش یافته است. راه دوم بهره گیری از مواد و انرژی کم ارزش قابل بازیافت به جای مواد و انرژی گران قیمت و پر هزینه است.

علاوه بر کاربردهای روزمره ای که در مقالات قبلی به آنها اشاره شد، نانوفناوری در زمینه های پیچیده تر و صنعتی تری نیز ایفای نقش می کند. صنایع رباتیک ، هوافضا و نظامی از این دست هستند که هریک به نوبه خود با زندگی مردم در ارتباط هستند.

صنایع رباتیک و نانوفناوری

مهمترین تاثیری که فناوری نانو در رباتیک می تواند بگذارد ساخت نانوربات هاست که در پزشکی تخصصی جایگاه ویژه ای را پیدا خواهند کرد. کاربردهایی که می تواند کلید درمان بیماری های خطرناک و کشنده مانند سرطان و ایدز باشد.

 این نانوربات ها می توانند با توجه به اندازه بسیار بسیار کوچک خود، خود را به مناطق آسیب دیده رسانده و پس از تزریق مستقیم دارو به محل و بررسی هایی که انجام می دهند بیماری را درمان کنند.

یکی دیگر از این کاربردها می تواند کاری را که آزمایشگاه های بسیار پیشرفته در چند روز برای بیمار انجام می دهند در چند دقیقه انجام دهد. یعنی تمام آنالیزهای لازم بیمار توسط یک چیپ چند نانومتری انجام خواهد شد که می تواند تحول دیگری را در پزشکی نوین رقم بزند.

صنایع نظامی و نانوفناوری

به کارگیری فناوری نانو در صنایع نظامی به خصوص در زمینه امنیتی – دفاعی در دهه اخیر مورد توجه پژوهش گران قرار گرفته است. استفاده از این فناوری در تجهیزات دفاعی راه هایی به سوی بهبود اسلحه ها، ابتکار در ساخت مواد با وزن سبک و مقاوم به دمای بالا برای هواپیماها، راکت ها و ایستگاه های فضایی را هموار نموده است. تسلط اطلاعاتی از طریق نانو الکترونیک پیشرفته، به عنوان یک توانایی مهم نظامی، کارایی بالاتر در تجهیزات نظامی و استفاده از ربات های پیشرفته به جای استفاده از نیروی انسانی نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت از عوامل شیمیایی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارایی خودروهای نظامی از دیگر قابلیت های این فناوری نوین در حوزه نظامی – دفاعی و امنیتی است.

صنایع هوافضا و نانو فناوری

یکی از دستاوردهای بارزی که در زمینه نانو می توان به آن اشاره نمود، تولید نانو لوله کربنی، قوی ترین ماده جهان در حال حاضر است که ممکن است به واسطه کشف و تولید این ماده قادر باشیم در آینده ای نه چندان دور، تحقق بسیاری از رویاهای بشر، بویژه رویای آرتور سی کلارک در ساخت بالابری که زمین را به آسمان پیوند زند و قادر باشد تا مدار ژئوسنکرون زمین به جابجایی انسان ها و بار بپردازد را شاهد باشیم.

اندازه ماهواره های ارسالی به فضا کاهش خواهد یافت و دیگر نیازی به استفاده از موشک های غول پیکر جهت فرستادن ماهواره ای چند تنی به فضا و قرار دادن آنها در مدار نخواهد بود و به این ترتیب از هزینه های گزاف پرتاب موشک های غول پیکر کاسته خواهد شد.

نانو حسگرها، یا سامانه های پیشران بسیار کارآمد، نمونه های دیگری از کاربرد فناوری نانو هستند. حفاظت در برابر تابش های کیهانی از کاربردهای دیگر و اساسی نانوفناوری در سفرهای فضایی است. به گفته دانشمندان، خطر قرار گرفتن در معرض تابشهای فضایی مهمترین عامل محدودکننده طول مدت سفرهای فضایی و اقامت انسان در فضا است و لذا هم اکنون تحقیقات فراوانی به طور خاص در این زمینه در حال انجام است.

طراحان سفینه های فضایی به این منظور و نیز به منظور رفع مشکلاتی مانند دوام ساختار روکش حفاظتی سفینه های فضایی، در جستجوی موادی هستند که قادر باشد به آنها در توسعه و ساخت روکش چند کاره بدنه سفینه های فضایی کمک نماید. منظور نانوحسگری است که بتواند حفاظت موثری در برابر تابشهای فضایی ایجاد کند و در عین حال ذخیره انرژی خوبی هم داشته باشد و همچنین قادر باشد در صورت صدمه دیدن بخشی از پوشش حفاظتی فضاپیما و نیاز به انجام تعمیرات خود به ترمیم خود بپردازد.

از نانو همچنین در ساخت لباس فضانوردان استفاده خواهد شد. لباس فضانوردان در عین داشتن مقاومت بالا در مقابل پرتوهای پرانرژی کیهانی باید سبک و راحت باشد به گونه ای که در حرکات فیزیکی فضانوردان اختلال و یا محدودیتی ایجاد نکند و فضانوردان قادر باشند با آرامش و آزادی عمل بیشتری به انجام تحقیقات در فضا و یا روی سطح کرات دیگر بپردازند.

با رشد تحقیقات و افزایش روز افزون حجم اطلاعات و فناوری بشر، نیاز مبرمی به ذخیره سازی اطلاعات حس می شود. در حال حاضر علی رغم محدود و کوچک بودن برنامه های تحقیقاتی و فضایی بشر شاهد آن هستیم که آژانس های فضایی کشورها با معضل ذخیره سازی، طبقه بندی و دسترسی به اطلاعات و تصاویر دریافتی از ماهواره ها، کاوشگرها و مدارگردها مواجه هستند و با توجه به حجم نسبتاً بزرگ دیسک های ذخیره کننده اطلاعات و کامپیوترها در قیاس با کامپیوترهای نانومتری، نیاز به فضایی بزرگ به منظور قرار دادن دیسکها در مکانی متمرکز و کنار هم وجود دارد که ایمن ساختن و نگهداری از چنین فضای بزرگی به منظور حفاظت از داده های گران بها و مهم خود کاری بس دشوار و پرهزینه است.

بدیهی است در صورت عدم ایجاد تغییرات اساسی در اندازه و سرعت پردازش کامپیوترها و قطعات کامپیوتری و عدم ورود نانوفناوری به عرصه فناوری اطلاعات، بشر در آینده با افزایش فعالیت های نجومی و فضایی خود با حجم زیادی داده مواجه خواهد شد که قادر به ذخیره سازی آنها نخواهد بود.

همچنین دسترسی سریع به داده ها و انجام سریع جستجو در میان میلیون ها ترابایت داده به منظور دسترسی به داده ای خاص در صورتی که به کمک نانوفناوری سرعت پردازش کامپیوترها چند صد برابر نشود اصولاً غیرممکن خواهد بود و ممکن است یک جستجوی ساده چندین ماه به طول بیانجامد.

بطور کلی می توان اینگونه نتیجه گیری کرد که با ورود نانوفناوری به زندگی بشر، سبک زندگی روزمره در جهان بطور کلی دگرگون و متحول خواهد شد و حتی می توان انتظار داشت الگوی رفتاری انسانها نیز از این تغییر مستثنی نباشد. با در نظر گرفتن نقش و جایگاه منحصربه فرد نانوفناوری در فضا و صنعت و بسیاری دیگر از جوانب زندگی بشر ورود قدرتمند ایران به این عرصه می تواند ضمن ایجاد تحولات اقتصادی چشمگیر و تبدیل کردن ایران به یکی از ابرقدرت های جهان، جایگاهی والا و برجسته در عرصه فضا و فناوری های فضایی پیش روی کشورمان قرار دهد

شاید 50 سال پیش که ریچارد فاینمن در سخنرانی معروف خود، داستان تخیلی و جذاب‌اش با عنوان "آن پایین فضای بسیار هست ¹" را با آب و تاب تعریف می‌کرد و در آن اتم‌ها را مثال اسبا‌ب‌بازی‌هایی به دست آدم‌های قصه‌اش می‌سپرد تا با آن هرچه می‌خواهند بسازند و هرجور می‌خواهند زندگی کنند، گمان نمی‌کرد روزی در همین نزدیکی‌ها، این داستان به واقعیت بدل شود، و امروزه روز همان آدم‌ها از قصه بیرون بیایند و به دنیاهای وسیع و روشن آن پایین سفر کنند.

اکنون، و بعد از گذشت نیم قرن، آدم‌های قصه با سفر به دنیای نانو، «زبان ِ اتم‌»‌ها را فراگرفته‌اند و می‌دانند چگونه ساخت مواد را اتم به اتم آغاز کنند و با دست‌کاری و بهبودشان، به چیزی که می‌خواهند دست یابند.

زبان اتم‌ها به ما می‌گوید که نحوه‌ی چیدمان و کنارهم قرارگرفتن‌شان، تا چه اندازه بر خواص و ویژگی‌ها و رفتار مولکول، و در نهایت مواد تشکیل شده از آن‌ها، اثرگذار خواهد بود. فناوری نانو و ابزارهای‌اش امکان رسیدن به مواد،‌ ابزار و سیستم‌هایی با خواص دل‌خواه و کارآمدی لازم را برای‌مان فراهم می‌نماید. تا آن‌جا که امروزه در پیرامون ما به  هر طرف که روی بگردانیم از غذایی که می‌خوریم و لباسی که می‌پوشیم تا دارو و ماشین و کرم‌های پوستی که استفاده می‌کنیم، نانوذرات، نانوکامپوزیت و نانوموادی را می‌بینیم که از آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی بیرون آمده و با ما در زندگی روزانه‌مان زیست می‌کنند.

البته به هیچ‌وجه نباید تصور کرد که فناوری نانو اختراع قرن حاضر است. بل‌که نانو و قوانین حاکم بر آن، همواره جزیی از طبیعت‌ بوده است و حالا ما با الهام از همین طبیعت، به کشفی عظیم برای ساخت و پرداخت دنیا‌ی‌مان دست ‌یافته‌ایم. به طور مثال: سطح برگ لوتوس²(یک نوع نیلوفر آبی) از پرز‌های بسیار ریزی در مقیاس نانومتر پوشیده شده است. این پرزها که آب‌گریز نیز می‌باشند، سبب تجمع ذرات آب به شکل دانه‌های تسبیح می‌شوند. وقتی دانه‌ها به قدر کافی بزرگ و تبدیل به قطره شد، شروع به غلتیدن و لیزخوردن از سطح برگ می‌نماید (شکل 1). گفتنی ا‌ست که آلودگی‌ها و گرد و غبار نیز درون این قطره‌ها معلق شده و همراه آب به پایین می‌غلتند. بنابراین، سطح برگ همواره تمیز خواهد ماند. با تقلید از این پدیده، شیشه‌ها و پارچه‌هایی ساخته شد که «خودتمیزشونده³ » نام گرفت. بر روی سطح این محصولات، همانند برگ نیلوفر آبی، یک لایه نازک نانومتری از دی‌اکسیدتیتانیوم و یا دی‌اکسیدسیلیسیم کشیده شده که مانع از جذب آب و آلودگی‌ها می‌گردد.

شکل 1. سطح برگ لوتوس

حال، اجازه بدهید برای آشنایی ملموس با دنیای نانو و حضور آن در زندگی روزانه‌مان به ذکر چند نمونه بپردازم:

نانو و غذایی که می‌خورید

نگه‌داری، بسته‌بندی و جلوگیری از فساد و تخریب مواد غذایی در مقابل انواع باکتری‌ها و قارچ‌ها، و محافظت از آن‌ها در برابر نور و رطوبت، از جمله معضلات اصلی و همیشگی مواد غذایی بوده که موجب خسارت فراوان در این زمینه شده است. امروزه ظروفی که با استفاده از فناوری نانو ساخته می‌شوند، خواص ضدمیکروبی بالایی در مقابل انواع باکتری‌ها و قارچ‌ها دارند. این خواص به دلیل حضور نانوذرات آنتی‌باکتریال در مواد تشکیل دهنده‌ی ظروف می‌باشد.

نگه‌داری مواد غذایی در ظروفی که با نانوذرات نقره ساخته می‌شود، از رشد باکتری‌ها جلوگیری کرده و غذا را به مدت طولانی‌تری در مقایسه با ظروف معمولی نگه‌داری می‌نماید. این ظروف قادر هستند میوه‌ها، سبزیجات، داروها، نان،‌ پنیر، سس و گوشت را در مدت طولانی‌تری، بدون تغییر رنگ و مزه و خواص غذایی‌شان نگه‌داری کنند.

افزودن ترکیباتی مانند نانوذرات دی‌اکسید سیلیس به پوشش‌های پلاستیکی بسته‌بندی و ظروف نگه‌داری مواد غذایی، سبب مقاوم شدن آن‌ها در مقابل پارگی شده و نفوذپذیری آن‌ها را در برابر بخار آب، اکسیژن و پرتو فرابنفش کاهش می‌دهد. از این رو، این بسته‌های پلاستیکی می‌تواند غذا را سالم‌تر و تازه‌تر محافظت نماید.

از طرفی، تولید بسته‌بندی‌های هوشمند می‌تواند ما را از فساد مواد غذایی آگاه سازد. این نوع بسته‌بندی شامل نانوحسگرهایی‌ست که نسبت به گازهای متصاعد شده از مواد غذایی فاسد، به شدت حساس بوده و تغییر رنگ می‌دهند. این تغییر رنگ، نشانه‌ای از فساد مواد غذایی محسوب می‌شود.

نانو و لباسی که می‌پوشید

پارچه‌های ضدلک، ضدآب، ضدچروک، ضدحریق و... همه‌ی این‌ رویاها با فناوری نانو محقق شده است. این پارچه‌ها که با تقلید از طبیعت (برگ لوتوس، پوست سوسک و بال حشرات) بافته می‌شود، در روی سطح خود ناهمواری‌های بسیار کوچکی در مقیاس نانو دارد که مانع از چسبیدن گرد و غبار و دیگر آلاینده‌ها به روی پارچه می‌شوند.

عرضه‌ی جوراب‌هایی که حاوی نانوذرات نقره می‌باشد، با جلوگیری از رشد انواع باکتری‌ها و قارچ‌ها، بوی بد پا را از بین می‌برد. هم‌چنین، این جوراب، از خارش، سرمازدگی و ترک پاشنه پا، که سبب عفونت در بیماران دیابتی می‌شود، نیز جلوگیری می‌کند.

توزیع نانوذرات سیلیکا در پارچه‌ها سبب ضدحریق شدن آن می‌شود؛ که مصارفی هم‌چون پرده،‌ سرویس‌های اتاق خواب و ... را می‌توان برای آن متصور شد.