تولید سبز

تولید سبز

فرایندهای تولید سبز همواره با تولید محصولات ضایعاتی مختلفی همراه است. بسیاری از آنها تهدیدی برای محیط زیست هستند و بنابراین، نیاز است این مواد حذف شوند. به صورت ایده آل، فرایندهای تولید باید به گونه ای طراحی شوند که میزان مواد مورد استفاده و ضایعات تولیدی، به حداقل، برسد. این در حالی است که باید اطمینان حاصل شود که از حداقل میزان انرژی استفاده شود. تولید سبز، نام عمومی فرایندها و تکنولوژی هایی است که برای حصول به این هدف، استفاده می شوند. این موارد شامل توسعه ی فرایندهای شیمیایی و صنعتی جدید (مانند فرایندهای بر پایه ی آب به جای حلال های آلی)، توسعه ی مواد شیمیایی سبزی که با محیط تطابق دارند و همچنین استفاده ی مؤثر از انرژی می باشد. به منظور کاهش ضایعات فرایندی، نانوتکنولوژی می تواند به دو شیوه، یاری رسان باشد: یکی با کمک به تولید مواد مؤثر و کنترل شده و استفاده از نانوموادی مانند کاتالست ها برای تولید مؤثر و کاهش میزان مصرف مواد سمی. در کل، نانوتکنولوژی دارای پتانسیل خوبی برای افزایش اثربخشی فرایندهای صنعتی می باشد. این پتانسیل هم در زمینه ی استفاده از مواد و هم کوچک سازی ضایعات سمی تولید، نمود دارد. برخی اوقات، نانوتکنولوژی موجب سبزتر شدن فرایندهای تولید می شود. به این زمینه، در حقیقت نانوتکنولوژی سبز، می گویند. این بخش شامل سنتز پایین به بالا برای توسعه ی کاتالیست های بهبود یافته، تولید مواد جدید مانند استفاده از DNA، و روش های سنتز بسیار خاص می باشد. این کار موجب بهبود فرایند تولید و کاهش میزان مواد سمی تولیدی در حین فرایند تولید می باشد.
یک مثال از نانوتکنولوژی سبز، در واقع توسعه ی میکروامولسیون های پایه آب به عنوان جایگزینی برای ترکیبات آلی فرار (VOCs) مورد استفاده در صنعت تمیزکاری، می باشد. این مواد سمی و ترکیبات سرطان زا، مانند کلروفروم، هگزان و پرکلرواتیلن، به صورت متداول در تمیزکاری، صنعت پارچه و استخراج مواد، استفاده می شود. میکروامولسیون ها حاوی اگریگیت های نانومتری است که می توانند به عنوان گیرنده برای استخراج مولکول های خاص در سطح نانومتری، استفاده شود. محققین دانشگاه اوکلاهاما، میکروامولسیون هایی را با برهمکنش های خاص تولید کرده اند که خاصیت سورفکتانتی خاص دارند. نتیجه، در واقع یک سورفکتانت است که دارای کشش سطحی بسیار پایین تری نسبت به اغلب روغن ها، می باشد. وقتی این ماده برای تمیزکاری پارچه مورد استفاده قرار گرفته است، میکروامولسیون ها رقابت خوبی با مواد VOCs متداول دارند. این رقابت هم در زمینه ی استخراج و هم از لحاظ سادگی فرایند می باشد.

سنجش محیط زیست

محافظت از سلامتی انسان ها و محیط زیست، نیازمند تشخیص سریع و دقیق مواد آلاینده و پاتوژن ها در سطح مولکولی می باشد. سنسورهای دقیق برای تشخیص آزمایشگاهی ضروری می باشند. این وسایل به صورت پروب های کوچک و وسایل ساخته شده برای تشخیص یک گونه ی بیولوژیکی و یا شیمیایی خاص، می باشند. اگر کلی صحبت کنیم، یک سنسور، در واقع وسیله ای است که برای تشخیص گونه های بیولوژیکی و شیمیایی استفاده می شود. معمولا این بخش ها یک سیگنال الکتریکی دیجیتال برای تشخیص استفاده می کنند. سنسورها امروزه برای تشخیص ترکیبات شیمیایی سمی در سطوح بسیار پایین مورد استفاده قرار می گیرند. نانوتکنولوژی در حقیقت موجب بهبود تکنولوژی حسگرهای کنونی می شود. این مسئله در چند زمینه انجام می شود: با استفاده از نانومواد دارای خواص شیمیایی و بیولوژیکی خاص، سنسور قابلیت انتخاب کنندگی بهینه دارد. بنابراین، این مسئله ممکن است که گونه های بیولوژیکی خاص را با تداخل اندک شناسایی کرد. در اینجا، دقت سنسور، بهبود می یابد. مشابه سایر محصولات نانویی بحث شده در این مقاله، نسبت سطح به حجم بالا در نانومواد موجب افزایش مساحت سطح موجود برای تشخیص می شود. در حقیقت این مسئله اثر مثبتی بر روی حد تشخیص سنسور دارد و از این رو، موجب بهبود حساسیت وسیله می شود. نانوسنسورها عموماً سریع تر هستند و می توانند آنالیت ها (مانند باکتری ها) را در غلظت های بسیار پایین، تشخیص دهند. این مسئله موجب می شود تا این سنسورها، دارای پاسخ مثبت سریع تری باشند. کاهش مقیاس مربوط به استفاده از نانومواد اجازه می دهد تا مکان های تشخیص بر روی پروب دستگاه متمرکز شوند و بنابراین، اجازه ی تشخیص چند عامل مقدور می شود. این قابلیت در واقع به همراه بهبود ویژگی های مکان های تشخیص بدست آمده با نانوتکنولوژی، اجازه ی تولید سنسورهای چندگانه و فوق کوچک را مقدور می سازد. این کار موجب کاهش هزینه های مربوط به آنالیز و کاهش تعداد وسایل مورد نیاز برای اجرای آنالیز می باشد. مزیت هایی که این مسئله در نانوالکترونیک دارد، اجازه ی ساخت نانوسنسورهایی با قابلیت ارزیابی پیوسته و زمان واقعی را می دهد.
تحقیقات در زمینه ی نانوسنسورها در چندین زمینه گسترش می یابد: سنتز نانومواد جدید با سایت های تشخیص خاص که قابلیت تشخیص یک آلودگی خاص را دارند، توسعه ی روش های تشخیص جدید برای افزایش حد تشخیص سنسورها، در حالی که امکان قرائت دیجیتال و الکترونیک آنها مقدور می شود و مورد آخر، کوچک سازی اندازه ی المان های سنسوری و تجمیع قطعات بزرگتر در یک قطعه.
یک مثال از نحوه ی ورود علم نانو در تکنولوژی سنسورها، در شکل 1 نشان داده شده است. این شکل بیانی شماتیک در مورد اصول عملیاتی یک نانوسنسور فلز سنگین می باشد که برای مانیتورینگ فلزات سنگین در آب خوردن، استفاده می شود. سنسور از یک آرایه از جفت های الکترودی تشکیل شده است که بر روی یک چیپ سیلیکونی واقع شده است. این الکترودها، فاصله ای در حدود چند نانومتر دارند. وقتی الکترودها با یک محلول آبی حاوی یون های فلزی برخورد می کنند، این یون ها در داخل شکاف های نانومتری رسوب می کند. وقتی فلز رسوب داده شده شکاف را پر می کند، یک رسانش بین الکترودها ایجاد می شود و همین رسانش، ثبت و بررسی می شود. اندازه ی شکاف تنها چند نانومتر است و اجازه ی تشخیص مواد با غلظت های پایین از یون های فلزی را مقدور می سازد. این نوع از سنسورها، سنسورهای نانوتماسی (nanocontact sensor) نامیده می شوند.

سنسورهای بر پایه ی نانوسیم و نانوتیوب

برخی از نانومواد در شکل نانوسیم و یا نانوتیوب، خواص سنسوری خوبی را در زمینه ی سنسورهای بیولوژیکی و شیمیایی دارند. نانوتیوب های تک دیواره (SWNTs) دارای پاسخ سریع تر و حساسیت بالاتر می باشند. برای مثال، این مواد در برابر مولکول های گازی (مانند دی اکسید نیتروژن و آمونیاک) حساسیت بالایی دارند مشابه با سنسورهای حالت جامد. در این مورد، مکانیزم مورد استفاده در کار حسگر، اتصال مستقیم به مولکول های گازی به سطح نانوتیوب ها می باشد. در این حالت مقاومت الکتریکی نانوتیوب به طور قابل توجهی افزایش یا کاهش می یابد. به هر حال، این حساسیت در دمای اتاق ایجاد می شود، در حالی که در اکثر سنسورهای حالت جامد، این کار در دمایی بین 200 تا 300 درجه انجام می شود.
اگر چه نانوتیوب های تک دیواره موارد مناسبی برای نانوسنسورها می باشند، آنها محدودیت هایی نیز دارند. این مسئله توسعه ی آنها را با چالش مواجه کرده است. اول اینکه، روش های سنتز کنونی موجب تولید مخلوطی از نانوتیوب های رسانا و نیمه رسانا می شود. در تولید سنسورها، تنها نانوتیوب های نیمه رسانا خوب عمل می کنند. دوم اینکه، به منظور ایجاد قابلیت تشخیص انواع مختلفی از گونه های شیمیایی و بیولوژیکی، سطح نانوتیوب ها نیازمند اصلاح دارند تا بدین صورت به خوبی عامل دار شوند. روش های انعطاف پذیر برای اصلاح سطح نانوتیوب ها به گونه ای انجام می شود که انواع مختلفی از آنالیت ها را می توان به آن اتصال داد. در مقابل، نانوسیم های نیمه رسانا مانند سیلیکون این محدودیت ها را ندارند. آنها همواره نیمه رسانا هستند و دانش خوبی در مورد اصلاح سطحی آنها وجود دارد. نانوسیم های سیلیکونی دوپ شده با بور (SiNWs) برای تشخیص الکتریکی زمان واقعی پروتئین ها و آنتی بادی ها، استفاده شده است. اندازه ی کوچک و قابلیت این نانوسیم های نیمه رسانا در تشخیص انواع مختلفی از آنالیت ها در زمان واقعی، می تواند برای توسعه ی سنسورهای پاتوژنی، شیمیایی و عوامل بیولوژیکی در آب، هوا و غذا، مورد استفاده قرار گیرد.

سنسورهای کانتیلیوری

این نوع از سنسورها، وسایلی هستند که از آرایه هایی از اهرم های سیلیکونی تشکیل شده اند. هر کدام از این بخش ها با نانولایه هایی پوشیده شده اند که نسبت به یک ماده ی خاص حساس می باشند. این بخش ها به طور نمونه وار 10 تا 500 میکرون طول و ضخامتی در حد چند میکرومتر یا کمتر دارند. لایه های خاص یک آلودگی که بر روی سری این اهرم جای می گیرند، در سطح نانومتری قرار دارند. برهمکنش میان آلودگی و سری اهرم موجب می شود تا این آلودگی ها به سری چسبیده و ایجاد یک تنش سطحی کنند. یک باریکه ی لیزری این اتصال کوچک را شناسایی می کند که در حقیقت می تواند منجر به اندازه گیری جرمی آلودگی شود. سنسورهای کانتیلیوری برای تشخیص VOCs، فلزات سنگین، آفت کش ها و باکتری های خطرناک مانند سالمونلا، توسعه یافته اند (شکل 2).

بسته بندی غذا و ارزیابی آن

نانوتکنولوژی ممکن است یک اثر قابل توجه در زمینه ی تولید غذا، بسته بندی، ذخیره سازی و حمل و نقل، ایجاد کند. کاربردهای نانوتکنولوژی در این زمینه، عبارتند از: بهبود فرایند تولید و بسته بندی، بهبود عطر و طعم، ردیابی محصولات و اجزای تشکیل دهنده از مزرعه تا محل مصرف، ارزیابی مزه، رسیدن محصولات، و بررسی آلودگی های بیولوژیکی. این بخش در حقیقت یک بخش عمومی و مورد علاقه می باشد که راه حل های فنی و مورد علاقه ای در این زمینه مورد نیاز می باشد. در حقیقت، نانوتکنولوژی می تواند راه حل های خوبی برای بسیاری از این چالش ها، مطرح کنند. برطرف شدن این چالش ها، یک وظیفه ی مهم کنسرسیوم NanoFOOD در iNANO می باشند. در واقع یکی از موارد خاص در این زمینه، شناسایی و بررسی پروتئین های قرار داده شده در سطوح می باشد. استراتژی های بی حرکت سازی نیازمند توسعه می باشد تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که اتصال سطحی خوبی با پروتئین های عامل دار، ایجاد شده است و بدین صورت خواص سطحی بهبود می یابد (مثلا فعالیت آنزیمی). یک چنین سطوح آنزیمی دارای پتانسیل خوبی در بسیاری از کاربردها، مانند تولید غذا، سلامت و محیط زیست، دارد. یک مثال از این کاربردها، توسعه ی جایگزین هایی برای رنگ های اکوتوکسیک تریی بوتیلتینی ضد رسوب (ecotoxic tributyltin antifouling paint) است که برای کشتی ها، استفاده می شود. این رنگ ها نباید پس از سال 2008 استفاده شوند و باید یک جایگزین مناسب محیط زیستی برای آنها پیدا کرد. محققین در حال کار بر روی توسعه ی سطوح و فرمولاسیون های رنگی هستند که خاصیت ضد رسوبی دارند. صرفنظر از وسایل دریایی، یک چنین سطوح و رنگ هایی ممکن است کاربردهایی را در تولید غذا و کاربردهای بیمارستانی، پیدا کند. این روش، در واقع مهندسی سطوح و ایجاد اثرات ضد رسوبی در برابر گسترده ی وسیعی از میکروارگانیزم ها، می باشد. در این روش، آنزیم هایی در داخل سطح، جاسازی می شود که موجب تخریب اجزای کلیدی بیوفیلم ها و ایجاد اثرات سمی بر روی میکروارگانیزم های رسوب کننده، می شود. امید این است که یک چنین خواصی موجب جلوگیری از رسوب و رشد باکتری ها نیز شود. عامل دار بودن دراز مدت و رهایش پیوسته ی اجزی فعال یک هدف کلیدی در این زمینه، می باشد.
یکی دیگر از زمینه هایی که نانوتکنولوژی دارای اثر مهمی در آن است، بسته بندی غذا و ردیابی آن است. نانوتکنولوژی در واقع امکان ایجاد سیستم های بسته بندی می کند که نسبت به حالت های مختلف، حساس می باشند و می توانند تازگی و تاریخ مصرف مواد غذایی را نشان دهند. برخی از تکنولوژی ها هم اکنون وجود دارد که با ترکیب پلاستیک با یک نوع رنگ خاص، امکان تشخیص ویژگی های مختلف با رنگ را فراهم آورد. مثلا رنگ این محصولات می تواند در حضور برخی گونه های شیمیایی مانند اکسیژن و یا اتانول، تغییر کند. آخرین پیشرفت ها در این زمینه، استفاده از نانوموادی مانند نانوذرات یا نانوالیافی است که در بخش داخلی پلاستیک قرار داده شده است. نانوسنسورها مانند چیزهایی که در بخش قبلی در مورد آنها صحبت شد، می توانند مورد استفاده قرار گیرند و بدین صورت قابلیت تشخیص کمی مقادیر اندک از مواد، مقدور شود. نانومواد دارای این مزیت است که مساحت سطحی بالایی دارند و بنابراین، این مواد بسیار فعالند. در صورت عامل دار شدن این مواد، می تواند از آنها برای تشخیص گونه های شیمیایی خاص استفاده کرد. این فرایند، یک فرایند سریع است. با یک روش مشابه، نانوذرات می توانند برای تشخیص سایر مواد شیمیای که در حقیقت موجب فساد ماده می شود، نیز مورد استفاده قرار گیرند. این نانوسنسورها می توانند حتی به گونه ای مهندسی شوند که به صورت وایرلس با تولیدکننده، در تماس باشند.

منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff