کاربردهای محیط زیستی نانومواد

برخی از اشکال نانوذرات دارای کاربردهای محیط زیستی مهمی هستند.
• نانوذرات آهن خنثی برای استفاده در زمینه ی اصلاح آب های زیرزمینی و خاک در حال بررسی می باشند. آهن وقتی با هوا برخورد کند، به سرعت اکسید می شود و می پوسد. به هر حال، وقتی این ماده در کنار آلودگی هایی مانند تری کلرواتیلن (TCE)، کربن تتراکلراید، دیوکسین ها و یا PCBs اکسید شود، این مولکول های آلی به حالت های ساده تر می شکنند. به دلیل میزان کربن کمتر، نانوذرات آهن اثربخشی بیشتری نسبت به پودر آهن معمولی مورد استفاده در تمیزکاری ضایعات صنعتی، دارند. نانوذرات آهن 10 تا 1000 بار مؤثرتر از پودر آهن عمل می کنند.
• نانوذرات نقره نیز دارای ظرفیت آنتی باکتریایی بالایی هستند. این مواد در بسیاری از محصولات و به منظور کاهش چسبندگی باکتری به سطوح، استفاده می شود.

فلزات نانوکریستالی

فلزات نانوکریستالی گروهی از مواد و آلیاژها هستند که دارای ساختار کریستالی بسیار ریز در زیر اندازه ی 100 نانومتر هستند. این مواد دارای خواص مکانیکی و فیزیکی قابل توجهی می باشند که موجب می شود از انها در بسیاری از کاربردها، استفاده شود. مثال هایی از فلزات نانوکریستالی، عبارتند از آلومنیوم، منیزیم، و آلیاژ آلومینیوم- منیزیم که دارای استحکام بالا و سبکی می باشند. سایر مثال ها، عبارتند از تیتانیم و آلیاژ تیتانیم و آلومینیوم.
برخی از فلزات کریستالی دارای خواص مغناطیسی استثنایی هستند. یک مثال از این مواد، آلیاژهای مغناطیسی نرم است که از نانوکریستال تشکیل شده اند و نام تجاری آنها Finemet می باشد. این مواد حاوی آلیاژ آهن، سیلیکون و بور است که مقادیر اندکی نیوبیم و مس نیز در آن وجود دارد.
کاربرد نانومواد در زمینه ی مواد مغناطیسی بسیار مهم و قابل توجه می باشد. این کاربردها در زمینه ی ثبت مغناطیسی، مقاومت مغناطیسی بزرگ (GMR)، یخ سازی به روش مغناطیسی و سنسورهای مغناطیسی است. این مواد جدید از نانوذرات مغناطیسی تولید شده اند که در داخل یک زمینه ی مغناطیسی و یا غیر مغناطیسی، پراکنده شده اند.

فروسیال ها

فروسیال ها در حقیقت مخلوط های کلوئیدی هستند که از نانوذرات فرومغناطیسی (مانند نانوذرات مگنتیت) تشکیل شده است. این نانوذرات در داخل یک مایع حامل، قرار دارند. این مایع معمولاً یک حلال آلی و یا آب می باشد. نانوذرات فرومغناطیس با یک سورفکتانت مناسب پوشیده می شوند تا بدین صورت از آگلومره شدن آنها، جلوگیری شود. برخلاف نام آنها، فروسیال ها خاصیت مغناطیسی ندارند زیرا آنها خاصیت مغناطیسی خود را در غیاب یک میدان خارجی، از دست می دهند. به جای آن، آنها خاصیت پارامغناطیسی مشابه مواد بالک دارند و اغلب به آنها مواد ابر پارامغناطیس نیز می گویند. علت این مسئله، قابلیت مغناطیسی بالای آنها می باشد. وقتی یک سیال پارامغناطیس در یک میدان با بزرگی مناسب قرار گیرد، سطح آن به صورت آنی یک الگوی منظم از موج ها را ایجاد می کند. این اثر به ناپایداری میدان نرمال (normal-field instability) معروف است (شکل 1). فروسیال های دارای کاربردهای مختلفی هستند. در مهندسی مکانیک، مخصوصاً در سیستم های تعلیق و ترمز، به دلیل خاصیت اصطکاک پایین آنها، از آب بندی های فروسیال استفاده می شود. این آب بندها در اطراف شافت متحرک دیسک ها قرار داده می شود. در بخش ICT، مشابه آب بندهای مایع، از این فروسیال ها در اطراف شافت متحرک مربوط به دیسک سخت و همچنین به عنوان حامل دارو در داروسازی، استفاده می شود.

آلیاژهای حافظه دار

بیشتر فلزات بسیار سخت هستند و باید تلاش زیادی کرد تا آنها را تغییر شکل داد اما وقتی آنها برای یک بار در یک شکل خاص قرار گرفتند، تا زمانی که نیروی تغییر شکل دهنده ی دیگری بر آنها اعمال نشود، تغییر شکل نمی دهند. فلزات حافظه دار یا آلیاژهای هوشمند (SMA) رفتاری متفاوت دارند. آنها می توانند برنامه ریزی شوند به نحوی که شکل خاصی را به خاطر داشته باشند. در صورتی که این قطعات خمیده و یا تغییر شکل داده شوند، به سرعت می توانند به حالت و شکل اولیه ی خود باز گردند. این مسئله به خاطر است است که فلزات حافظه دار دارای دو ساختار کریستالی متمایز در سطح نانومتری هستند. این ساختارهای کریستالی می توانند به هم تبدیل شوند. هر دوی این ساختارها دارای شبکه های منظم هستند. فاز مادر که در حقیقت به آن فاز آستنیتی گفته می شود، وقتی ایجاد می شود که فلز در دماهای بالا قرار دارد (شکل 2). وقتی در دماهای بالا شکل دهی بر روی فلز انجام شود، این ماده شکل را به خاطر می سپارد. وقتی فلز سرد شود، ساختار کریستالی آن به فاز دوم (مارتنزیت) تبدیل می شود. حرارت دهی آهسته ی فلز موجب می شود تا این ماده به شکل اولیه ی خود باز گردد. شیشه های تولید شده از فلزات حافظه دار مزیت الاستیسته ی کاذب را نیز دارا می باشند. در این مورد، فلز در دمای اتاق، در فاز آستنیتی خود قرار دارد و فاز مارتنزیتی در زمان اعمال تنش، ایجاد می شود نه با سرد کردن. نیترول در بخش های ارتودنسی برنجی مورد استفاده قرار می گیرد. وقتی نیترول در داخل دهان قرار داده می شود، دمای آن بوسیله ی دهان، افزایش می یابد. این مسئله موجب بازگشت آن به شکل اولیه می شود. نتیجه اعمال نیروی ثابت به دندان ها می باشد. سیم های نیترول نیاز به سفت کردن ندارند زیرا اغلب می توانند در زمان حرکت دندان، با آن حرکت کنند. این مسئله در سیم های فولادی ضد زنگ، مشاهده نمی شود.

پلیمرها

یک پلیمر در حقیقت مولکول های بزرگی هستند که حاوی یک زنجیره از واحدهای تکرارشونده می باشند. این واحدهای تکرارشونده که مونومر نامیده می شوند، به همدیگر متصل شده و مولکول هایی با طول های متغیر تشکیل می دهند. یک کوپلیمر در واقع یک ماکرومولکول است که حاوی دو یا چند مونومر می باشد. وقتی پلیمر یک رسانای خوب برای الکتریسیته است، به آن پلیمر، پلیمر رسانا گویند. در این بخش، نانوساختار کردن پلیمرها و اثر این کار بر روی آنها توصیف می شود. تمرکز این بخش بر روی کوپلیمرها می باشد زیرا آنها در نانوتکنولوژی بسیار مفید می باشند.

پلیمرهای رسانا

پلیمرهایی که رسانای خوب الکتریسیته هستند، پلیمرهای رسانا نامیده می شوند. این پلیمرها، می توانند از جنس پلی استیلن، پلی آنیلین، پلی پیرول، پلی تیوفن و بسیاری از پلیمرهای سنتزی باشند. این پلیمرها در حقیقت به خاطر داشتن پیوندهای شیمیایی دوگانه و منفرد، معروف می باشند. اتصال پای در کربن این مواد، در حقیقت راهی برای گسیل الکترون می باشد. در حقیقت، خاصیت رسانایی خوب این مواد به خاطر وجود همین پیوند دوگانه می باشد. بررسی های میکروسکوپ الکترونی عبوری بر روی پلیمرهای رسانا، نشان داده است که این مواد از یک توالی نانوذرات فلزی با طول حدود 10 نانومتر، تشکیل شده اند. رسانایی بالای مربوط به پلیمرهایی مانند پلی استیلن و پلی آنیلین به خاطر نانوساختار بودن آنهاست. پلی آنیلین و مواد مشابه وقتی با یک ولتاژ مناسب روبرو شوند، و یا وقتی با مواد شیمیایی خاص واکنش می دهند، تغییر رنگ می دهند. به همین دلیل، آنها مواد مناسبی در تولید دیودهای ساتع نور می باشند. سایر کاربردهای این مواد در تمیزکاری سطحی بردار مدار مجتمع، محافظ های خوردگی سطوح فلزی، پوشش های آنتی استاتیک نیمه شفاف مورد استفاده در محصولات الکترونیکی، باتری های پلیمری و محافظ های الکترومغناطیس می باشد.

کوپلیمرهای بلوک

یک کوپلیمر در واقع یک ماکرومولکول است که حاوی دو یا چند نوع مونومر می باشد و یک کوپلیمر بلوک حاوی این واحدهای اساسی و یا مونومرها می باشد که به صورت توالی های منفرد و طویل قرار گرفته است. این توالی ها، بلوک نامیده می شوند. یک مثال در حقیقت پلیمرهای دی بلوک (A)m(B)n است که از یک توالی خطی از مونومرهای m از نوع A و توالی های خطی از مونومر n از نوع B می باشند. یک بخش انتقالی این بلوک ها را به هم متصل می کند:
اغلب کوپلیمرهای بلوک از بلوک های آب دوست و آب گریز تشکیل می شود. عموماً ماکرومولکول ها دارای نواحی آب دوست و آب گریز هستند. این مواد مانند لیپیدها در زمان قرارگیری در آب، خودآرایی می کنند. ناحیه ی آب گریز به هم تنیده می شوند و از مولکول های آب دور می شوند. این مسئله موجب می شود تا بخش آب دوست به سمت خارج جهت گیری کند. به همین شیوه، کوپلیمرهای بلوک تشکیل شده از بلوک های آب گریز و آب دوست وقتی با حلال های انتخابی مخلوط شوند، می توانند به صورت معماری هایی در سطح نانومقیاس، جهت گیری کنند.
هندسه و میزان نظم موجود در ساختار، به غلظت و نسبت حجمی میان بلوک های نامحلول و محلول، وابسته می باشد. بسته به این پارامترها، کوپلیمر بلوک می تواند میسل های کروی (نانوکره)، میسل های استوانه ای و غشاء تشکیل دهند. هر دو میسل استوانه ای و کروی حاوی یک هسته ی غیر محلول می باشند که اطراف آن را بخش محلول تشکیل داده است. غشاء ها از دو مونولایه کوپلیمری بلوک، تشکیل شده اند که جهت گیری آنها منجر به تشکیل یک غشاء می شوند. مولکول ها با میزان غلظت پایین موجب تشکیل غشاهای شبه ساندویچی می شود. مولکول هایی که دارای غلظت پایین می باشد، موجب تشکیل اگریگیت های کروی می شوند که با افزایش غلظت، امکان تشکیل ساختار استوانه ای و شبه غشایی، ممکن می شود (شکل 3). در میان میسل های کروی، اگر طول بخش های تشکیل شده بوسیله ی کرونای آب دوست، کوتاهتر از قطر کره باشد، نانوساختار، نانوکره ی مودار (hairy nanosphere ) نامیده می شود، در حالی که اگر این بخش ها طویل باشند، به آن پلیمر ستاره ای (star polymer) می گویند (شکل 4).

پلیمرهای با پاسخ هوشمند

پلیمرهای بلوک موجب تشکیل نانوساختارهایی می شوند که نسبت به میدان خارجی، بسیار حساس می باشند. برای مثال، میدان الکتریکی متوسط و یا تحریک برشی می تواند منجر به بازآرایی ماکروسکوپیک در جهات خاص شوند. این مسئله موجب تولید موادی می شود که در برابر تغییرات حساس می باشند. طبیعت ماکرومولکولی ذاتی این کوپلیمرها منجر به کنترل کینتیکی و کاهش سرعت تغییر فازی می شود. بنابراین، فازهای شبه پایدار و میانی دارای عمر مفید بیشتری هستند و این مسئله در کاربردهایی مناسب نمی باشد که در حقیقت به دنبال بکارگیری از خواص تغییر فاز مربوط به این مواد، هستیم.

کاربردهای بیومدیکال

قابلیت کوپلیمرهای بلوک برای تشکیل نانوذرات و نانوساختارها در حالت محلول، موجب می شود تا آنها در کاربردهای بیومدیکال، مانند رسانش دارو، مهندسی بافت و تصویربرداری پزشکی، مفید باشند. در زمینه ی تحویل دارو، موادی که می توانند کپسوله شوند و دارو را در زمان مناسب رها کنند، ضروری می باشند. هیدروژل ها برای رهایش کنترل شده ی دارو مفید می باشند و هیدروژل های تولیدی از کوپلیمرهای بلوک نیز به طور خاص به دلیل خواص فعال سازی خاص، مانند حساسیت در برابر دما، مناسب می باشند. کوپلیمرهای بلوک موجب تشکیل نانوساختارهایی می شوند که دارای بخش های آب دوست و آب گریز می باشند. بنابراین، این مواد می توانند برای کپسوله کردن و انتقال مواد درمانی آب گریز و آب دوست، مناسب می باشند. میسل های تشکیل شده با استفاده از کوپلیمرهای بلوک دارای کروناهای آب دوستی می باشند که موجب می شود آنها در برابر برهمکنش های پروتئین ها، در امان باشند. در پروتئین های پلاسمایی خاص، این نوع از میسل ها منجر به افزایش دوره ی چرخش آزمایشگاهی، می شود. دمین های نامحلول می توانند همچنین به گونه ای مهندسی شوند که دارای پلیمرهای آب گریز خاصی باشند. این مواد نسبت به pH، گونه های اکسایشی، دما و تخریب هیدرولیتیکی، حساس می باشند.
پلیمرهای بلوک همچنین در زمینه ی ترمیم چارچوب ها در مهندسی بافت، مورد توجه هستند. برای مثال، بسیاری از میسل ها، با تقلید از بخش های خارج سلولی طبیعی برای ایجاد خاصیت خودآرایی یک پلیمر پپتیدی، مورد استفاده قرار گرفته اند.

نانورآکتورها

قابلیت ایجاد حجم های مجزا در سطح نانو، یکی از مکانیزم های اصلی است که بوسیله ی سلول ها مورد استفاده قرار می گیرد. این سلول ها بوسیله ی این مکانیزم، عملکردهای ضروی خود را انجام می دهند. این مسئله امروزه با استفاده از میسل های کوپلیمری و به منظور ایجاد نانورآکتورها، در حال استفاده می باشد. این روش از واکنش های آنزیمی غیر حامل در بخش های نانوسایز، استفاده می کند.
این نشان داده شده است که این روش همچنین برای حلال های غیر آبی نیز قابلیت استفاده دارد. برای مثال، یک کار که اخیراً انجام شده است، نشاندهنده ی نانوساختارهای حاوی پلیمر بلوک در مایع های یونی می باشد و علاوه بر این، قابلیت میسل ها برای پرش از یک حلال مایع به یک مایع یونی دیگر را به عنوان تابعی از دما، نشان می دهد. در واقع این کار، نشاندهنده ی ایده ی استفاده از تکنولوژی کوپلیمرهای بلوک در روش های سنتز پیچیده می باشد.

قطعات متحرک مصنوعی

ساختار کوپلیمرهای بلوک همچنین می تواند برای تقلید از قابلیت بیومولکول ها برای تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی مکانیکی، مورد استفاده قرار گیرد، برای مثال، با استفاده از کوپلیمرهای بلوک حساس به pH که میسل های آناه با توجه به تغییر در pH، متورم می شوند. بنابراین، این مواد برای ایجاد ماهیچه های مصنوعی و نانوساختارهای متحرک، مورد توجه هستند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff