مواد نانو چه موادی هستند و چه کاربردی دارند؟

مواد نانو (Nanomaterials) از واحدهای کوچک ‌بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر حداقل در یک بعد تشکیل شده اند. مواد نانو در واقع مواد شیمیایی هستند که بدون تغییر ویژگی اصلی از جمله افزایش قدرت واکنش شیمیایی یا توانایی هدایت در مقیاس بسیار کوچک تولید می شوند. برای آگاهی بیشتر در رابطه با این مواد با ما در  ادامه مقاله با نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

با اینکه این ترکیبات در حال حاضر بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند اما دانشمندان هنوز برای تعریف دقیق آنها به توافق نرسیده اند ولی قبول دارند که این مواد تاحدی ریز هستند که با مقیاس نانومتر اندازه گیری می شوند. نانومتر یک میلیونیوم میلی متر است یعنی می توان گفت تقریبا ۱۰۰۰۰۰ بار کوچکتر از قطر موهای انسان.

ذرات با اندازه نانو در طبیعیت وجود دارند و می توانند از محصولات مختلفی مانند کربن یا مینرال‌های مانند نقره ایجاد شوند ، اما مواد نانو از نظر تعریف باید حداقل یک بعد داشته باشند که  اندازه آن بطور تقریبی کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد. بیشتر مواد نانو برای دیدن با چشم غیر مسلح و حتی با میکروسکوپ های آزمایشگاهی معمولی بسیار کوچک هستند.

موادی که در چنین مقیاس کوچکی مهندسی می شوند اغلب به عنوان نانومواد مهندسی شده (ENM) نامیده می شوند که می توانند خصوصیات نوری ، مغناطیسی و الکتریکی منحصر به فردی بدست بیاورند.

این خواص ظریف، پتانسیل تأثیرات عالی در الکترونیک ، پزشکی و سایر زمینه ها را فراهم می کند که شامل موارد زیر است:

• از فناوری نانو می توان برای طراحی داروهایی استفاده کرد که می تواند ارگان ها یا سلول های خاصی از بدن مانند سلول های سرطانی را هدف قرار دهد و باعث افزایش کارآیی درمانی شود.
• مواد نانو همچنین می توانند به سیمان ، پارچه و سایر مواد اضافه شوند تا آنها را قوی تر و در عین حال سبک تر جلوه دهند.
• اندازه این ترکیبات باعث می شود که آنها در الکترونیک بسیار مفید باشند  همچنین می توان از آنها برای ترمیم و خنثی کردن سموم در محیط زیست یا به عنوان پاک کننده استفاده کرد.

خرید و فروش مواد نانو

فروش مواد نانو بر اساس کیفیت و ابعاد متفاوت است و کاربرد گسترده آن باعث رونق جهانی بازار آن شده است.

روش های ساخت مواد نانو

در حال حاضر تنها یک نوع خاص از مواد نانو  وجود ندارد و  از نظر تئوری ، مواد اولیه نانو از مواد معدنی و تقریباً هر ماده شیمیایی ساخته می شوند و با توجه به ترکیب ، ابعاد مواد نانو  ، شکل ، پوشش سطحی و مقاومت پیوندهای ذرات می توانند، متفاوت باشند.

مواد نانو از انواع مختلفی ساختار نانو شامل خوشه ها ، نقاط کوانتومی ، نانو کریستال ها ، نانوسیم ها و نانولوله ها تشکیل شده است ، در حالی که مجموعه نانوساختارها شامل آرایه ها ، مجموعه ها و سوپر شبکه های حاصل از نانوساختارهای منفرد هستند.

خصوصیات مواد با ابعاد نانومتر با اتمها و مواد انبوه تفاوت قابل توجهی دارد زیرا سایز نانومتری مواد باعث ایجاد کسر بزرگی از اتم های سطحی ، انرژی سطحی بالا ، ساختار فضایی متفاوت و کاهش نقائص ماده می شود.

 بهتر است بدانید:

چند نمونه از فراوانترین ترکیبات نانو شامل نانوکریستال هاست که از یک نقطه کوانتومی احاطه شده توسط مواد نیمه هادی ، نقره در مقیاس نانو ، دندریمرها (مولکول هایی با شاخه های تکراری) و فولرن ها که مولکول های کربن به شکل کره توخالی، بیضوی یا لوله ای هستند ، تشکیل شده اند.

ابعاد کوچک مواد نانو نسبت به سطح ، حجم بزرگی به آنها می بخشد و باعث می شود کسر بزرگی از اتم ها در سطح یا فضای بینابینی قرار بگیرند که این مسئله بر کل ماده تاثیر می گذارد.

به عنوان مثال ، نانوذرات فلزی می توانند به عنوان کاتالیزور فعال و حسگرهای شیمیایی ساخته شده از نانوذرات و نانوسیمها استفاده شوند که دارای حساسیت و انتخاب پذیری بالاتری نیز هستند.

تاریخچه مواد نانو

اگرچه فناوری نانو تحول نسبتاً جدیدی در تحقیقات علمی است ، اما توسعه مفاهیم اصلی آن در مدت زمان طولانی تری رخ داده است. ظهور فناوری نانو در دهه ۱۹۸۰ با  پیشرفت های تجربی مانند اختراع میکروسکوپ تونلی در سال ۱۹۸۱ و کشف فولرن ها در سال ۱۹۸۵ ایجاد شد.

البته اولین شواهد از کاربرد فناوری نانو را می توان به نانولوله های کربن و نانوسیم های سیمانی که در ریزساختار فولاد wootz تولید شده در هند باستان که به ۶۰۰ سال قبل از میلاد مسیح  بر می گردد ، نسبت داد.

اگرچه نانوذرات با علم مدرن در ارتباط هستند ، اما آنها تا قرن نهم در بین النهرین برای ایجاد جلوه ای درخشان بر سطح گلدان ها توسط صنعتگران استفاده می شدند.

این زمینه در اوایل دهه ۲۰۰۰ با بحث و گفتگوهای برجسته در مورد پیامدهای احتمالی استفاده از مواد نانو و همچنین امکان سنجی کاربردپذیری این ترکیبات توسط طرفداران فناوری نانو مورد توجه و آگاهی عمومی  قرار گرفت. البته همه دولت ها برای ترویج و سرمایه گذاری در بخش تحقیقات فناوری نانو تلاش بسیاری انجام دادند.

موارد استفاده از مواد نانو چیست؟

با توجه به توانایی تولید مواد به روشی خاص برای ایفای نقشی خاص ، استفاده از نانو مواد در صنایع مختلف از مراقبت های بهداشتی و آرایشی گرفته تا حفظ محیط زیست و تصفیه هوا گسترش یافته است.

به عنوان مثال ، در حوزه بهداشت و درمان از نانو مواد به روش های مختلفی استفاده می کنند که یکی از کاربردهای عمده آن ، تحویل دارو است. یک نمونه از این فرایند ، تولید نانوذرات برای کمک به حمل و نقل مستقیم داروهای شیمی درمانی به سلول های سرطانی و همچنین رساندن داروها به مناطقی از عروق آسیب دیده برای مبارزه با بیماری های قلبی عروقی است. نانو لوله های کربنی همچنین به منظور استفاده در فرایندهایی مانند افزودن آنتی بادی به نانولوله ها برای ایجاد حسگرهای باکتری در حال تولید هستند.

در هوا فضا می توان از نانولوله های کربنی در شکل گیری بال هواپیما استفاده کرد. استفاده از نانومواد در طیف گسترده ای از صنایع و محصولات مصرفی رواج پیدا کرده است در صنایع آرایشی و بهداشتی به دلیل پایداری ضعیفی که  در برابر محافظت از اشعه ماورا بنفش UV  در دراز مدت ارائه می دهد ، از نانوذرات معدنی مانند اکسید تیتانیوم در ضد آفتاب استفاده می شود.

جالب است بدانید:

در صنعت ورزش دستکش های بیس بال  تولید شده با نانولوله های کربنی ساخته شده اند و باعث می شوند دستکش ها سبک تر و عملکرد مطلوبتری داشته باشند. موارد استفاده بیشتر از نانومواد در این صنعت را می توان با استفاده از فناوری نانو ضد میکروبی در مواردی مانند حوله ها و حصیرهای مورد استفاده افراد ورزشی ، به منظور جلوگیری از بیماری های ناشی از باکتری ها ، شناسایی کرد.

نانوموادی نیز  برای استفاده در ارتش تولید شده است. مثلا استفاده از نانوذرات پیگمنت متحرک است که برای تولید فرم استتار بهتر ، از طریق تزریق ذرات در مواد لباس سربازان استفاده می شود. علاوه بر این ، ارتش با استفاده از نانومواد ، مانند دی اکسید تیتانیوم ، سیستم های حسگری تولید کرده است که می تواند عوامل بیولوژیکی را تشخیص دهد.

استفاده از نانو تیتانیوم دی اکسید همچنین برای استفاده در پوشش ها به منظور ایجاد سطوح خود تمیز شونده مانند صندلی های پلاستیکی پارک  گسترش یافته است.

مزایای مواد نانو

خصوصیات مواد نانو ، به ویژه اندازه آنها ، مزایای مختلفی را در مقایسه با مواد دیگر ارائه می دهد همچنین انعطاف پذیری آنها از نظر توانایی متناسب سازی آنها برای نیازهای خاص ، مفید بودن آنها را برجسته می کند. یک مزیت اضافی تخلخل زیاد آنهاست که باز هم تقاضا برای استفاده در بسیاری از صنایع را افزایش می دهد.

در بخش انرژی ، استفاده از نانومواد از این جهت سودمند است که می تواند روشهای موجود برای تولید انرژی – مانند صفحات خورشیدی – را کارآمدتر و مقرون به صرفه کند و همچنین راههای جدیدی را برای استفاده و ذخیره انرژی ایجاد می کند.

همچنین قرار است از نانومواد در صنعت الکترونیک و محاسبات استفاده شود، استفاده از آنها باعث افزایش دقت در ساخت مدارهای الکترونیکی در سطح اتمی می شود و به توسعه بسیاری از محصولات الکترونیکی کمک می کند.

معایب مواد نانو

در کنار مزایای آنها ، تعدادی از معایب مربوط به استفاده از نانومواد نیز وجود دارد. با توجه به تازگی نسبی و استفاده گسترده از نانومواد ، اطلاعات زیادی در مورد جنبه های بهداشتی و ایمنی قرار گرفتن در معرض مواد وجود ندارد.

در حال حاضر یکی از معایب اصلی مرتبط با نانو مواد ، قرار گرفتن در معرض استنشاق آنها است. این نگرانی از مطالعات حیوانی ناشی می شود که نتایج آن نشان می دهد نانومواد مانند نانو لوله های کربنی و الیاف نانو ممکن است اثرات مضر ریوی مانند فیبروز ریوی ایجاد کنند. خطرات احتمالی بعدی در معرض مصرف از طریق بلع و خطر انفجار گرد و غبار است.

علاوه بر این ، در مورد نانو مواد هنوز خلاء دانش وجود دارد ، به این معنی که فرآیند تولید اغلب پیچیده و دشوار است . روند کلی تولید آن نیز بسیار گران است .

ارزیابی ریسک در مورد هرگونه اثرات احتمالی زیست محیطی نشان می دهد که نانو مواد مورد استفاده در مواد آرایشی مانند ضد آفتاب که به پوست زده می شود ، خطراتی برای اکوسیستم های آبزی را دارد. زیرا بعد از شستشو نانوموادی كه مهندسی شده اند ممكن است قبل از انباشته شدن در درياچه ها و رودخانه ها ذراتی با اندازه بزرگتر به وجود آورند.

این امر ممکن است با کاهش احتمالی روند زندگی مانند رشد و تولید مثل  انواع موجودات آب شیرین – مانند حلزون ها را در پی داشته باشد. همین مسائل احتمالاً در اکوسیستم های دریایی نیز رخ خواهد داد. تجمع نانو مواد در سایر جنبه های محیطی ، مانند خاک – از طریق لجن فاضلاب – یک نگرانی دیگر است. اگرچه انتظار می رود غلظت این نانومواد مهندسی بسیار اندک باشد ، انتشار مکرر ممکن است باعث افزایش غلظت ها با گذشت زمان و تشدید اثرات منفی مرتبط شود.

عوارض احتمالی استفاده از مواد نانو

در حال حاضر با اینکه نانو مواد مهندسی شده مزایای بسیار خوبی ارائه می دهند ولی ما در مورد اثرات بالقوه آنها بر سلامتی انسان و محیط زیست اطلاعات کمی داریم. حتی مواد شناخته شده ای مانند نقره نیز ممکن است هنگام مهندسی در اندازه نانو خطراتی را ایجاد کنند.

ذرات در اندازه نانو می توانند از طریق استنشاق ، بلع و از طریق پوست وارد بدن انسان شوند. تحقیقات نشان داده است كه نانومواد تشکیل شده از الیاف كربنی می تواند باعث التهاب ریه ها به روش هایی شبیه به آزبست شود.

اثرات بالقوه زیست محیطی مواد نانو چیست؟

افزایش تولید و استفاده از مواد نانو منجر به افزایش مواجهه با زیست محیطی می شود. برآورد قرار گرفتن در معرض این مواد به دلیل عدم دانش در مورد میزان انتشار یا غلظت نانومواد در محیط با مشکل روبرو است . همچنین هیچ نظریه ای برای تخمین غلظت های محیطی از میزان انتشار وجود ندارد. نظریه موجود در مورد رفتار مواد شیمیایی و ذرات در محیط لزوماً برای مواد نانو قابل استفاده نیست . تفکر فعلی در مورد آنچه برای مواد نانو در محیط اتفاق می افتد بیش از آنکه در روش اندازه گیری و ارزیابی مستقیم باشد ، مبتنی بر ملاحظات کلی است.