In the name of god
بسم الله الرحمن الرحیم
موضوع:
فناوری نانو وکاربرد آن در ساخت تجهیزات زیست محیطی
– نانو
از نگاه لغوی ، کلمه نانو به معنای یک میلیاردم (9-10 ) است و در اصل از یک واژه یونانی به معنای کوتوله گرفته شده است. ]1[
و فناوری متکی بر آن یا به اختصار ، فناوری نانو (Nano – technology) در کنار علوم و فناوریهای مرتبط با زیست شناسی و ژنتیک مولکولی ، علوم و فناوری اطلاعات ، مولفه های انقلاب سوم علمی – صنعتی عصر جدید را تشکیل می دهند. این انقلاب ادامه منطقی انقلابهای علمی اول و دوم است که منجر به پیدایش علوم و فناوریهای مقیاسهای ماکرو و میکرو گشتند.
انقلاب سوم و بویژه مولفه های علوم و فناوری مقیاس نانو در آن برای اولین بار در تاریخ جوامع بشری امکان دستکاری و دخالت عمدی و اختیاری در خواص و سازماندهی ماده فیزیکی و اساسی ترین سطوح آن یعنی مقیاسهای زیر اتمی و مولکولی را فراهم خواهد آورد.
تاریخچه ی نانو
در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می توان آنقدر به اجزاء کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می دهند، شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژه اتم را که به معنی تقسیم نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. با تحقیقات و آزمایش های بسیار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زیادی ایزوتوپ کشف کرده اند. آنها همچنین پی برده اند که اتم ها از ذرات کوچکتری مانند کوارک ها و لپتون ها تشکیل شده اند. با این حال این کشف ها در تاریخ پیدایش این فناوری پیچیده زیاد مهم نیست.
نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. شاید بتوان گفت که اولین نانوتکنولوژیست ها شیشه گران قرون وسطایی بوده اند که از قالب های قدیمی(Medieal forges) برای شکل دادن شیشه هایشان استفاده می کرده اند.
در سال1959 ریچارد فاینمن مقاله ای را درباره قابلیت های فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. باوجود موقعیت هایی که توسط بسیاری تا آن زمان کسب شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می شناسند. فاینمن که بعدها جایزه نوبل را در فیزیک دریافت کرد درآن سال در یک مهمانی شام که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود، سخنرانی کرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشکار ساخت.
فن آوری نانو و محیط زیست:
امروزه پیشرفت تکنولوژی و دستیابی انسان به روش های نوین برای استفاده از منابع طبیعی دستاوردهائی را به همراه دارد که علاوه بر تاثیرات فراوان در زندگی بشر، تاثیراتی منفی را نیز برای طبیعت به ارمغان می آورد. به تازگی انسان متمدن به این تفکر رسیده است که شاید بتوان با استفاده از تکنولوژی مدرن و پیشرفته به کمک منابع طبیعی و محیط زیست شتابد که از جمله می توان به فناوری نانو و کاربرد آن در حفظ محیط زیست اشاره کرد. تاثیرات مستقیم و غیر مستقیم فن آوری نانو بر محیط زیست، از جنبه های مختلف قابل بررسی است.
در حال حاضر، می توان موارد متعددی از کاربرد مواد نانو ساختاری در حفظ محیط زیست، از قبیل نانوفیلترها (برای تصفیه پساب های صنعتی)، نانوپودرها (برای تصفیه گازهای آلاینده خروجی از خودروها و واحدهای صنعتی) و نانو تیوب ها (برای ذخیره سازی سوخت کاملاً تمیز هیدروژن) را برشمرد، اما دورنمای استفاده از این فناوری نوین بسیار گسترده تر از این گونه کاربرهای جزئی و مقطعی است. برخی از مهمترین کاربردهای علمی شناخته شده فناوری نانو در زمینه محیط زیست نانوحس گرها، نانو فیلترها و کاتالیزورهای زیست محیطی هستند که به ترتیب به آنها اشاره می شود:
نانوحس گرهای زیست محیطی:
نانوحس گر وسیله ای است بسیار ریز که قادر به شناسائی و ارائه پاسخ به محرک های فیزیکی در مقیاس یک نانومتر است. نانوحس گرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف از جمله محیط زیست یافته اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.
آلودگی هوا:
یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هواست. با استفاده از نانوحس گرها پیشرفت موثری در زمینه کنترل آلودگی هوا صورت گرفته است. با اختراع اولین نمونه های غبار هوشمند، تولید این گونه حس گرها به مرحله کاربرد علمی نزدیک تز شد. هدف اصلی از ساخت غبارهای هوشمند، تولید مجموعه ای از حس گرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیار سبک است. این نانوحس گرها به راحتی ساعت ها در هوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند از طریق بی سیم موجود در خود، اطلاعات جمع آوری شده را به یک پایگاه مرکزی ارسال کنند. سرعت انتقال اطلاعات از نمونه های اولیه حدود یک کیلو بایت در ثانیه است.
انتشار گازهای سمی:
انتشار و پخش گازهای مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متاسفانه هشدار دهنده های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسائی این گونه گازهای نشتی می شوند. این نوع حس گرها از نانوتیوب های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده اند و می توانند مولکول های گازهای سمی را جذب کنند. آنها هم چنین قادر به شناسائی تعداد معدودی از مولکول های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی اند که این حس گرها برای شناسائی به هنگام گازهای بیوشیمیائی جنگی، آلاینده های هوا و حتی مولکول های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.
نانوفیلترها، نانوسنسورها و مواد هوشمند:
یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب است. غشای مورد استفاده در فرآیند نانو فیلتراسیون معمولاً مولکول های بزرگ را دفع می کند و در مقایسه با روش های دیگر قادرند با صرف انرژی کمتر آب چاه ها یا آب های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند. این فرآیند قادر است انواع باکتری ها، ویروس ها، آفت کش ها، آلاینده هائی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. نظر به این که در فرآیند نانو فیلتراسیون از هیچ ماده شیمیائی برای سختی گیری (Water Hardness) آب استفاده نمی شود، بنابراین اثرات منفی زیست محیطی آن به مراتب کمتر از روش های شیمیائی معمول است.
علاوه بر این، ذرات نانو ساختار انعطاف پذیری زیادی در تصفیه آلاینده ها دارند. به عنوان مثال از ذرات نانو ساختار برای تصفیه فوری خاک، رسوبات، ضایعات جامد، تصفیه آب و پسماندهای مایع استفاده می شود. تحقیقات نشان می دهد که ذرات دو فلزی نانو ساختار مانند آهن، پالادیم، آهن، نقره و روی، پالادیم کاربردهای زیادی در تصفیه و پالایش آلوده کننده های محیط زیست، مانند آفت کش های کلرینه با منشا آلی و حلال های آلی هالوژنه یافته اند. تجربه نشان داده است که استفاده از ذرات نانو ساختار دو فلزی موجب می شود تا کلیه هیدروکربن های حاوی ترکیبات کلردار که بسیار سمی اند به هیدروکربن های بی خطر برای محیط زیست تبدیل شوند.
فیلترها بر اساس اندازه منافذشان دسته بندی می شوند و بر این اساس به میکروفیلترها، آلترافیلترها و نانوفیلترها دسته بندی می شوند. نانو فیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پائین تر از اسمز معکوس است، بنابراین فیمت تمام شده نانوفیلترها علاوه بر بازیابی ویروس ها و باکتری ها نیز می باشند، بنابراین می توانند در رفع آلودگی های آب های ذخیره نوشیدنی انسان ها و آب های کشاورزی استفاده شوند. نانوفیلترها می توانند به فیلتراسیون سریع خون کمک کنند.
در حال حاضر مسمومیت خونی یکی از مشکلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحدهائی که نیاز به مراقبت شدیدتری دارند بیشتر است، چون مریض ها آسیب پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید خون هرچه سریع تر از عامل مسمومیت پاک شود. برای تشخیص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin باید از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسائی شود. با استفاده از نانوفیلترها می توان در یک مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا کرده و عامل مسمومیت را شناسائی کرد و علاوه بر این خون را تمیز کرد.
علاوه بر این نانوفیلترها می توانند در جداسازی های بیولوژیکی باکتری، ویروس، اسیدنو کلوئیک تصفیه DNA، جذب پروتئین ها و اسیدنو کلوئیک ها، سوبسترا برای کشت Batch، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذائی و استریلیزه کردن سرم های پزشکی و سیالات بیولوژیکی استفاده شوند. نانوتکنولوژی با ساخت سنسورها در ابعاد کوچک ما را قادر خواهند ساخت که بتوانیم بسیاری از پارامترها را بادقت بیشتری ارزیابی کنیم.
با استفاده از مولکول های بیولوژیکی قادر خواهیم بود که نانوسنسور بسازیم. نانوسنسورها کاربردهای بسیاری در سه حوزه مهم نانوبیوتکنولوژی (پزشکی، کشاورزی و صنایع غذائی) دارند که شامل: آشکارسازی عوامل و کمیت های شیمیائی و بیولوژیکی، توالی سنجی DNA در تشخیص بیماری ها و تولید داروها، در آزمایش هایموثر و سریع بر روی داروهای جدید، سیستم هیا کنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ سلامت محصولات کشاورزی و غذائی در انبارها و حمل و نقل و انتقال، سیستم های مجتمع نانوسنسوری برای اندازه گیری، گزارش دهی و کنترل هوشمند گیاهان یا دام ها، بیوسنسورهای دقیق تر برای شناسائی پروتوین ها، آشکارسازی سریع عوامل بیماری زا و … می باشند.
نانو لوله ها
نانو لوله های کربنی اولین نسل محصولات نانو هستند که در سال ۱۹۹۱ کشف و به جهان عرضه شدند. نانو لوله ها از پیچیده شدن ورقه های گرانیت با ساختاری شبیه شانه عسل به دست می آیند. این لوله ها بسیار بلند و نازک هستند و ساختارهائی پایدار، مقاوم و انعطاف پذیر دارند. نانو لوله ها قوی ترین فیبرهای شناخته شده اند و ۱۰۰ـ۱ برابر قوی تر از واحد وزنی استیل هستند و می توانند جایگزین سرامیک های معمولی، آلومینیو و حتی فلزات در ساخت هواپیما، چرخ دنده ها، یاتاقان ها ، اجزاء ماشین، دستگاه های پزشکی، وسایل ورزشی و دستگاه های صنعتی تولید غذا شوند.
مطالعات اخیر پیشنهاد می کند که از نانو لوله های کربنی برای اهداف بیولوژیکی مثل کریستالیزاسیون، پروتئین ها و ساخت بیوراکتورها و بیوسنسورها استفاده شود. نانو لوله های کربنی در محیط های آبی نامحلول اند.بنابراین برای کاربردهای نانولوله های کربنی توسعه غشاهای رسانای الکتریکی است. به خاطر نسبت بالای طول به قطر، نانو لوله های کربنی می توانند پلیمرهای رسانا تبدیل کنند، اگر این پلیمرها برای توسعه غشاءهای جدید استفاده شوند میزان جداسازی طعم ها و مواد مغذی افزایش خواهد یافت. این ماده به عنوان یک افزودنی در تولید نانو کامپوزیت استفاده می شود. افزودنی فقط ۳ـ۵% از این ماده پلاستیک را سبک تر، قوی تر و مقاوم تر به حرارت می کند و خواص ممانعت کنندگی بهتر در برابر اکسیژن، دی اکسیدکربن، رطوبت و مواد فرار دارد. این خواص برای بسته بندی مواد غذائی مثل گوشت های فرآیندی، پنیر، آرد قنادی، غلات و غذاهای کنسرو شده را افزایش دهد.
نانوپلیمرهای متخلخل:
هنگامی که آلاینده های آلی آب گریز از طریق آب وارد خاک می شوند، به راحتی توسط ذرات جامد غیر محلول در آب جذب و از آب جدا می شوند. پدیده جذب و دفع این گونه آلاینده ها 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، مولکول های آلاینده به جسمی متصل می شوند که از لحاظ شیمیائی بیشترین شباهت را به آنها داشته باشد. به همین دلیل نانوپلیمرهای متخلخل که شباهت زیادی به مولکول های مواد آلاینده دارند، مناسب ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده های آلی از آب و خاک به شمار می روند. به طور کلی کاربردهای زیست محیطی این نانو ساختارها عبارتند از:
۱) جداسازی آلاینده های آلی از آب آشامیدنی. ۲) تصفیه پساب های واحدهای صنعتی مانند نیروگاه های هسته ای برای استفاده مجدد از آنها. ۳) پاک سازی منابع آبی آلوده شده به مواد نفتی. ۴) پاک سازی منابع آب زیرزمینی از آلاینده های آلی. با توجه به این که نانوپلیمرهای متخلخل در موارد بسیار زیادی مورد استفاده قرار می گیرند، بنابراین هزینه های تصفیه به مراتب کمتر می شود.
کاتالیست های زیست محیطی: (Environmental Catalist)
از زمینه های دیگر کاربردهای مواد نانوساختاری، استفاده از آنها به عنوان کاتالیزورهای زیست محیطی برای تصفیه خروجی اگزوز اتومبیل ها و پالایش آب و هواست. کاتالیزورهای رایج که اغلب پایه پلاتین دارند، اگرچه راندمانشان کافی است، اما بسیار گران قیمت اند.
پلیمرهای زیستی:
از نانوساختارهائی مثل پلیمرهای زیستی می توان برای تولید تراشه های الکترونیکی استفاده کرد. طبق اطلاعات موجود، برای تولید هر گرم ریز تراشه ۳۲ مگابایتی، به مصرف ۸۵ گرم سوخت فسیلی و مواد شیمایائی و ۱۶ کیلوگرم آب نیاز است. با استفاده از فرآیندهای نانو می توان شیوه مرسوم در تولید تراشه های نیمه هادی را تا حد بسیار زیادی بهبود بخشید. علاوه بر این، استفاده از فناوری نانو منجر به تولید مواد بی خطر به جای مواد سمی می شود. برای مثال، مانیتورهای ساخته شده از لوله های اشعه کاتدی (که حاوی مواد سمی اند) است و راندمان بالاتری هم دارند. نمایشگرهای ساخته شده از کریستال مایع ضمن کوچک بودن حاوی سرب نیستند و مصرف انرژی آنها بسیار کمتر از انواع مشابه کاتدی است. علاوه بر این استفاده از نانولوله های کربنی در نمایشگرهای کامپیوتری به کاهش مصرف فلزات سنگین در آنها کمک می کند و از این طریق از آسیب به محیط زیست می کاهد.
▪ نانو پوشش ها:
پوشش های نانو ساختاری پیشرفته به خوبی بر سطوح مختلف از قبیل فلزات، شیشه، سرامیک و پلاستیک می چسبند و تنها چند میکرون ضخامت دارند، ویژگی های بارز این نانو پوشش گرها خاصیت ضد خوردگی آنهاست که کاربرد پوششی آنها را در فلزات سبک از قبیل آلومینیوم و منیزیم افزایش داده است. پوشش های یاد شده، در مقابل حرارت بسیار مقاومند و می توانند دما را تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد تحمل کنند
نانو پودرها:
نانوپودرها موادی به شدت فعال اند که در دمای پائین ذوب یا آلیاژ می شوند. این پودرها در فرآیندهای قالب گیری تزریقی و پوشش دادن سطوح مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. نوعی از پودرهای نانو ساختاری یاد شده که حاوی ذرات آلومینیوم است، در صورت افزوده شدن به سوخت های جامد موشک ها شدت سوختن آنها را تا دو برابر افزایش می دهد. اضافه کردن این پودر به نفت سفید باعث تسریع در احتراق آن و در نتیجه کاهش تولید آلاینده های مختلف می شود. آن چه از توانمندی های فناوری نانو ارائه شد به این معنی است که می توان از این روش ها برای حفظ محیط زیست در آینده ای نه چندان دور استفاده کرد و در کنار استفاده از منابع طبیعی با کمک فناوری های پیشرفته بتوان به تعاملی پایدار با طبیعت و نهایتاً توسعه پایدار رسید.
▪ کاربرد فن آوری نانو در تصفیه آلاینده های آب:
یکــی از مهمتریــــن کاربـــردهای فــن آوری نانـــو در محیــط زیسـت، تصفیــه آلاینــده های آب هــای زیرزمینـــی بــا نانو ذرات (nZVI(zero-valent iron است که بازده و راندمان قابل توجهی دارد، اما نامشخص بودن خصوصیات اساسی این فن آوری مشکلاتی در رابطه با استفاده بهینه و یا ارزیابی خطرات آن از لحاظ انسانی و اکولوژیکی به وجود آورده است.
سه مورد اساسی که باعث سوءتفاهم در مورد این فن آوری می شود، عبارتند از:
۱) nZVIهائی که در تصفیه آب های زیرزمینی استفاده می شوند بسیار بزرگتر از ذراتی هستند که تاثیرات حقیقی در اندازه نانو را نشان می دهند. ۲) واکنش پذیری بالای این ذرات عمدتاً نتیجه سطح ویژه بالای آنها است. ۳) تحرک nZVI تقریباً در تمامی شرایط کمتر از چند متر است. لذا استفاده از آن در تصفیه به حداقل می رسد.
در نهایت بیشتر کاربردهای زیست محیطی فن آوری نانو در سه مقوله جای می گیرند:
محصولات بی خطر برای محیط زیست یا محصولات با قابلیت تحمل بالا مثلاً شیمی سبز.
تصفیه مواد یکه با ذرات خطرناک آلوده شده اند.
حس گرهائی برای ذرات محیطی.
با این که معمولاً این سه مقوله در زمره مواد شیمیائی یا مواد نانو بیولوژیکی تلقی می شود. باید توجه کرد که این موارد می تواند در مورد عوامل میکروبی و مواد زیست محیطی نیز کاربرد داشته باشد. فن آوری نانو نقش مهمی در بهبود روش های کشف و پاک سازی عوامل زیست محیطی مضر دارد. دو فن آوری متعارف تصفیه که در فن آوری نانو نیز از آنها استفاده می شود عبارتند از: جاذبه، واکنش درجا و غیر درجا. در فن آوری تصفیه جاذبه ای به کمک فرآیند جداسازی، آلاینده ها (به خصوص فلزات) جدا می شوند، در حالی که فن آوری واکنشی باعث تولید محصولات کم ضررتر می گردد. به عنوان مثال در مواردی که آلاینده ها آلی باشند محصولاتی مثل دی اکسیدکربن و آب تولید می شود. در فن آوری درجا، پاک سازی آلودگی در همان محل آلودگی (Pollution Point) صورت می گیرد، در حالی که در فن آوری غیر درجا، عملیات پاک سازی پس از انتقال مواد آلوده کننده به مکان مطمئن انجام می شود.
ب) نانو روکشها
لایه ای نازک از نانو روکشها را می توان روی سطوح فلزی یا پلاستیکی نشاند و مقاومت سایشی و ضربه ای آنها را افزایش داد. از جمله کاربردهای نظامی نانو روکشها می توان به موارد زیر اشاره نمود: – ساخت و طراحی لباسهای ضد گلوله و ضد آتش – به کار بردن روکشهایی از جنس نانو اکسیدهای فلزی برای تعمیر قطعات فرسوده یا زنگ زده. – ساخت کلاههای جنگی با مقاومت گرمایی بالا
● نتیجه گیری:
نانو تکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید باید با در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر می شود. از همین تعریف ساده بر می آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. زمانی که فامین فیزیکدان برجسته آمریکائی ایده کار با اتم ها و مولکول ها را مطرح کرد، محققان جهان به کار در این عرصه روی آوردند و برای نانو تکنولوژی کاربردهائی گوناگون در حوزه های مختلف از غذا و دارو و تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک و کامپیوتر، ارتباطات، حمل ونقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوا فضا و امنیت ملی بر شمرده اند. کاربردهای وسیع این عرصه به همراه اثرات اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن آوری را به عنوان یک زمینه (فرا رشته ای و فرابخشی) مطرح نموده است. علوم و فن آوری نانو، عنصری اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آینده، همکاری های تحقیقاتی میان رشته ای، آموزش خاص و انتقال ایده ها به صنعت خواهد بود
● پیشنهادات
نانوتکنولوژی دارای کاربرد بسیار زیادی در عرصه حفاظت از محیط زیست و کاهش آلودگی های زیست محیطی می باشد و کشور ما نیز در بخش حفاظت از محیط زیست قطعاً نیاز دارد، با برنامه ریزی بلندمدت، خود را با روند رو به رشد و اجتناب ناپذیر دنیا همراه سازد. به این منظور موارد زیر پیشنهاد می گردد:
▪ لحاظ نمودن نانو تکنولوژی به عنوان یکی از محورهای اولویت دار در برنامه دولت و سازمان حفاظت از محیط زیست. ▪ تدوین برنامه ای برای موفقیت در عرصه نانو تکنولوژی از سوی سازمان حفاظت از محیط زیست. استفاده از توانائی تحقیقاتی مراکز علمی و دانشگاهی، مراکز پژوهشی و آموزش محققان و دانش پژوهان. ▪ راه اندازی واحدهای تحقیق و توسعه نانو تکنولوژی در سازمان حفاظت محیط زیست و کلیه ادارات کل حفاظت از محیط زیست استان ها.