آموزشی فن آوری نانو و کاربرد آن در ساخت تجهیزات زیست محیطی

فن آوری نانو و کاربرد آن در ساخت تجهیزات زیست محیطیدر قرنی که ما در آن به سر می بریم جنگ اتمی و آلودگی محیط زیست بزرگترین تهدید برای بشریت محسوب نمی شود.نانو تکنولوژی (Nano technology) یا به عبارتی فن آوری مادون ریز در دو دهه اخیر پیشرفت های فراوانی را در تکنولوژی تجهیزات و مواد با ابعاد بسیار کوچک به دست آورده است، و به سوی تحولی فوق العاده که تمدن بشری را تا پایان این قرن دگرگون خواهد کرد، پیش خواهد برد. در بیانی کوتاه نانو تکنولوژی یک فرآیند تولید مولکولی و هم چنین دانشی عام و فراگیر است، در بسیاری از فن آوری ها از جمله علوم مهندسی محیط زیست و ساخت تجهیزات پیشگیرانه و محافظ محیط زیست د رمقابل انواع آلودگی های زیست محیطی (آب، خاک، هوا و صوت) بسیار کاربرد دارد. از مهمترین کاربردهای زیست محیطی نانوتکنولوژی می توان به ساخت انواع نانو حس گرها، نانو فیلترها، کاتالیست های زیست محیطی، نانو پلیمرها، نانو ذرات، نانو زیست فن آوری (بیوتکنولوژی)، بهینه سازی انرژی های نو، و هم چنین کاربرد آن در تصفیه آلاینده های زیست محیطی و ... اشاره نمود. استفاده از این تکنولوژی (فن آوری سبز) باعث صرفه جوئی فوق العاده ای در مصرف هزینه، انرژی، حفاظت از کلیه منابع محیط زیست و پیشگیری از آلودگی های زیست محیطی می گردد و نهایتاً راه را برای رسیدن به توسعه پایدار (Sustainable Development) هموارتر خواهد نمود.
● مقدمه
در قرنی که ما در آن به سر می بریم جنگ اتمی و آلودگی محیط زیست بزرگترین تهدید برای بشریت محسوب نمی شود. ظهور ماشین های بی نهایت کوچک به اندازه یک سر سوزن یا در اندازه مولکولی بیشتر از آنها بشریت را تهدید می کند، زیرا این ماشین ها قادرند با تغییر اتم های یک ماده به یک ماده دیگر یک نوع بازسازی تازه انجام دهند که اگر کوچکترین حالت آن از کنترل خارج شود تمام گیاهان و جانوران و انسان ها طی دو روز به عنوان ماده خام ماشین ها مصرف شده و از بین می روند. دانشمندان این مسئله را گری گو (Gray goo) یا احساس تلخ و اندوه می نامند و طرفداران حفظ محیط زیست را وادار می کنند به طور جدی در مقابل آن بایستند و در برنامه های خود در مورد توجه کامل قرار می دهند. طبق مواد مختلف قانون چهارم توسعه در بخش محیط زیست و تأکید بر کنترل و پیشگیری از آلودگی های زیست محیطی و حفظ منابع آب، خاک، هوا ما را به فکر وا می دارد که اجرای این اقدامات پیشگیرانه در سایه فناوری نانو، تسریع این اقدامات را میسر می سازد، به ویژه این که در فصل چهارم قانون توسعه بر توسعه مبنی بر دانائی و استفاده معقول (Wise Use) تأکید خاص گردیده است. فناوری نانو بنابر تعریف، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید با در دست گرفتن سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در سطوح آن ظاهر می شود. با توجه به این تعریف، فناوری نانو مختص یک رشته نیست بلکه تمام رشته ها از جمله غذا، دارو، پزشکی، الکترونیک، کامپیوتر، انرژی، و محیط زیست می تواند متأثر از این فناوری گردد. امروزه با کاربرد وسیع این فناوری درمنابع آب، کشاورزی، انرژی، دوام پذیری مواد و محیط زیست و درمان مسائل زیست محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده ها و توسعه فناوری های سبز و حذف آلاینده های کوچک و بزرگ از منابع آب، خاک، هوا، سرمایه گذاری های کشورهای مختلف در این زمینه افزایش یافته است. امروزه باور عمومی بشر به این مسئله است که با غفلت از نابودی محیط زیست و دورریزی غیرمسئولانه مواد زائد و انتشار آلاینده ها نمی تواند به پیشرفت های خود ادامه دهد. از این رو در جستجوی یک تکنولوژی سازگار با محیط زیست، نانوتکنولوژی در بین تکنولوژی های پا به عرصه گذاشته در جهان در یک وضعیت ناباورانه و با یک رویکرد جدید در علوم جلوه می نماید که علاوه بر سازگاری آن با محیط زیست، ابزار مؤثری در رفع و کاهش آلاینده های به جا مانده در محیط بر اثر فعالیت سایر تکنولوژی ها محسوب می شود. امروزه در دنیا از نانوتکنولوژی به عنوان یک تکنولوژی کلیدی و تأثیرگذار بر علم، تکنولوژی و صنعت یاد می شود.
● نانوتکنولوژی
نانو از لغت یونانی (نانوس) به معنای (کوتوله) گرفته شده است و در اصل عملی است که درباره اجسام بسیار کوچک مطالعه می کند. یک نانومتر یک میلیونیم میلیمتر و ده مرتبه کوچکتر از اتم هیدروژن است. تامسی کنی محقق دانشگاه استنفورد آن را چنین توصیف می کند: اندازه ای که ناخن شما در یک ثانیه رشد می کند. هر چند که تعریف دقیقی از این علم وجود ندارد. مؤسسه علوم طبیعی در آمریکا نیز آن را چنین تعریف می کند: تحقیق و توسعه علم در بارهٔ موادی به اندازه تقریباً ۱ تا ۱۰۰ نانومتر در موارد خاص اندازه ها ممکن است کوچکتر از یک نانومتر یا بزرگتر از صد نانومتر باشد. به نظر می رسد که تمام این برنامه ها تا واقعیت فاصله زیادی داشته باشد. اریک کدر کسلر که به عنوان یکی از بنیان گذاران نانوتکنولوژی شناخته می شود، این واژه را در سال ۱۹۸۶ در کتابش با عنوان ماشین آفرینش (Engines of creation) قرار داده است. کسلر در گذشته یکی از محققان انیستیو تکنولوژی ماساچوست (MIT) بود او آینده ای را ترسیم می کند که در آن ماشین های بسیار کوچک قادرند سلول های بیمار را به طور مجزا در جریان خون مداوا کنند، مغزهای مصنوعی را توسعه دهند، آلودگی محیط زیست را از بین ببرند و هر چیزی را از ساختمان ها گرفته تا فضاپیماها، به طور کامل اتم به اتم و با دقتی بی نظیر مورد آزمایش قرار دهند. از آنجائی که می توانند خودشان را باسازی کنند، می تواند با رونق و توسعه از مسائل بزرگی نظیر فقر و گرسنگی هم نجات دهند. در واقع آنها یک انقلاب صنعتی جدید به حساب می آیند. کسلر اولین فردی نبود که رویای این دنیای کوچک را در سر داشت. تقریباً سه دهه قبل در ۲۹ دسامبر ۱۹۵۹ ریچارد فایمن فیزیکدان مشهور سخنرانی معروفی را در انجمن فیزیک آمریکا ارائه داد در آن سخنرانی با عنوان: در آن جا فضای زیادی وجود دارد، ادعا کرد که تمام کلماتی که در جهان تا آن تاریخ به رشته تحریر در آمده می توان بر روی حجمی به اندازه یک دهم میلیمتر جای داد که تقریباً به اندازه کوچکترین ذره گرد و غباری است که انسان می تواند ببیند چنین متنی به صورت دیجیتالی ذخیره می شود.
● 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 تأثیرات فراوان در زندگی بشر، تأثیراتی 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. تأثیرات 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 نیازهایمهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هواست. با استفاده از نانوحس گرها پیشرفت مؤثری 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. متأسفانه 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، نانوسیسورها 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. به علاوه، شواهد بسیار مبین این واقعیت است که ذرات نانو ساختار با پایه آهنی، قادر به تجزیه آلودگی های بسیار پایدار هم چون ترکیبات پرکلرات ها، نیترات ها، فلزات سنگین (نیکل و جیوه) و مواد رادیواکتیو مانند دی اکسیداورانیوم هستند. علاوه بر این می توان از نانو ساختارها برای رنگ زدائی از آب آشامیدنی استفاده کرد. رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلکه چون این رنگ ها می توانند منشا تولید تری هالومتان نیز باشند، بسیار خطرناک محسوب می شوند. این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنه مضر و سرطان زا می شوند. رنگ موجود در آب طبیعی معمولاً ناشی از وجود اسیدهای معدنی است. اسیدهای مذکور از تجزیه مواد آلی موجود در آب حاصل می شوند. اغلب روش های متداول برای تصفیه آب قادر به جداسازیمواد فوق نیستند، لیکن با استفاده از غشاهای نانو می توان تا ۹۹ درصد این گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد. هم چنین تحقیقات نشان می دهد استفادهاز فناوری نانو در تصفیه آب می تواند هزینه های تصفیه را تا حدود زیادی کاهش دهد. الکل هائی مانند اتانول به عنوان حلال یا ماده پاک کننده به وفور در صنایع مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد در حین مصرف مقادیر زیادی از ناخالصی های مختلف را به خود جذب می کنند. با توجه به این که دور ریختن آنها پس از مصرف، اثرات زیان باری بر محیط زیست دارد، باید برای استفاده مجدد (Use ـ Re) تصفیه شوند. روش های متداول از قبیل تقطیر، ضمن آلوده کردهن محیط زیست انرژی زیادی را تلف می کنند.
استفاده از نانوفیلترها گام مؤثری در حفاظت محیط زیست و صرفه جوئی انرژی در این زمینه است. 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 فراوانی 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 هایمؤثر 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 و نانو کامپوزیت 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.
▪ نانو بیو مواد:
مواد جدید همواره یکی از عوامل ضروری و توانزای کلیدی برای ساخت سیستم ها و کاربردهائی با اثرات چشمگیر بوده اند. این مواد می توانند موانع فرآیندهای قبلی را بشکنند و نهایتاً کاربردهائی با منافع بالقوه جهانی را تولید کنند. مواد در مقیاس نانو، یعنی موادی که ویژگی هایشان در سطح کمتر از میکرو (کوچک تر از۱۰ـ۶ یا ۱۰ـ ۹ نانو) قابل کنترل است. خواص مواد در چنین ابعاد و اندازه هائی با مواد متعارف اساساً متفاوت است و به همین لحاظ تحقیقات در حوزهٔ نانو مواد روز به روز فعال تر می شود. نانو بیوذرات، ذرات کلوئیدی و جامدی هستند که شامل اجزاء ماکرو مولکولی با اندازه ۱۰۰۰nmc ـ ۱۰ با شیمی سطح پیچیده هستند. بسته به روش تولید، نانو ذرات به شکل نانوکپسول یا نانو کره هستند نانو کره ها سیستم های ماتریسی می باشند در حالی که نانو کپسول ها سیستم های وزیکولار می باشند. نانو کپسول ها نانو ذراتی هستند که دارای یک پوسته و فضای خالی داخل آن جهت قرار گرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفولیپیدها با یک سر آب دوست و یک سر آب گریز وقتی در یک محیط آبی قرار می گیرند، تشکیل کپسول هائی می دهند که سر آب دوست آن در بیرون و سر آب گریز مولکول در درون آن قرار می گیرند، از پلیمرهائی مثل لیپید و پروتئین نیز می توان برای ساخت نانوکپسول استفاده کرد. درخت سان ها (Denderimers) ماکرومولکول هائی با ساختار منتظم و پر شاخه سه بعدی، که به خاطر دانسیته بالای گروه های فعال کاربردهای زیادی دارند. ردخت سان ها به دلیل رقابت طراحی و ساخته شدن با دقت کاملاً اتمی بیشترین توانمندی را در مقایسه با نانوحفرات، نانو کپسول ها و نانو ذرات از خود نشان می دهند. کاکلیت ها (Cochleates) رسوبات دو ظرفیتی فسفولیپیدی پایدار از مواد طبیعی هستند. این مواد ساختارهای چند لایه ای بزرگ و پیوسته چربی که به شکل مارپیچ درآمده اند، تشکیل شده اند. آنها محتویاتشان را زاطریق لایه سیال خارجی به غشاء سلول های هدف انتقال می دهند. کاکلیت ها در برابر عوامل محیطی مقاوم هستند و ساختار لایه ای محکمشان آنها را در برابر تجزیه توسط مولکول های شکننده Cochleates محافظت می کند، حتی اگر در شرایط سخت محیطی یا در برابر آنزیم قرار گیرند.
▪ 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. استفاده از این نوع پوشش گرها منجر به کاهش خوردگی فلزات می شود و در نهایت، محیط زیست را با کاهش میزان مصرف مواد خام حفظ خواهد کرد. کاربرد دیگر پوشش گرهای نانو ساختاری، در حذف گرد و غبار از روی سطوح مختلف و کاهش مصرف پاک کننده هاست. این نانو ذرات را به صورت یک لایه بسیار نازک برای روکش کردن سطوح مختلف از قبیل شیشه اتومبیل ها به کار می برند. در نتیجه، مایع مذکور سطح پوشش داده شده را خیس نمی کند و به صورت قطراتی روی آن باقی می ماند و به سرعت زدوده می شود. این عمل فرآیند خشک شدن را سرعت می دهد. بدیهی است که مصرف موماد شوینده به شدت کایهش می یابد و از آلودگی محیط زیست (Environmental Pollution) جلوگیری به عمل می آید.
▪ 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 تأثیرات 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:
۱) محصولات بی خطر برای محیط زیست یا محصولات با قابلیت تحمل بالا مثلاً شیمی سبز.
۲) تصفیه مواد یکه با ذرات خطرناک آلوده شده اند.
۳) 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.
● 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. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانو تکنولوژی به شرح زیر می باشند:
تولید مواد و فرآورده های صنعتی (مواد سبک تر و مستحکم تر، قابل برنامه ریزی و هوشمند، کاهش هزینه، افزایش عمر، ابزارهای جدید بر پایه اصول و معماری جدید، ساخت مولکولی و ...)، پزشکی، داروسازی و مراقبت های بهداشتی (توسعه نانو بیو حس گرها و تکنولوژی تصویربرداری جدید برای تشخیص زودتر و درمان بیماری هائی مثل سرطان، روش بیماری شناسی و درمان کارآمدتر و ارزان تر، داروهای جدید، کمک به بینائی و شنوائی، مواد جدید سازگار با محیط زیست که باعث افزایش زمان نگهداری اندام مصنوعی می گردد، استفاده از دستگاه های پزشکی کوچک و هوشمند، ارسال دارو به طور مستقیم به سلول های آسیب دیده و ....)، الکترونیک و کامپیوتر (تراشه ها و کامپیوترهای سریع تر با نانو ترانزیستورها، حافظه های با ظرفیت بسیار بالاتر، پهنای باند ارتباطی بالا، نسل جدیدی از ردیاب ها، پردازنده ها و نانو دستگاه ها)، منابع طبیعی و محیط زست (تخلیص و نمک زدائی آب، کاهش مصرف بنزین با تغییر در خودروها، تایرهای سازگار بامحیط زیست، استفاده از نانو پودرها برای رفع آلودگی، استفاده از سیستم های نانوروباتیک و هوشمند برای مدیریت فاضلاب های زیست محیطی ـ هسته ای .....)، انرژی (بهبود تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، بهبود تبدیل انرژی هیدروژن به انرژی گرمائی، ذخیره ایمن هیدروژن)، ابزارهای نظامی و امنیت ملی (سلاح های جدید، هوشمندی بیشتر مهمات نظامی، ابزارهای محافظت در برابر سلاح های میکروبی و شیمیائی و تسلط بیشتر بر اطلاعات و ...)، علوم و مهندسی نانو، منجر به درک بهتر طبیعت، پیشرفت در پژوهش و آموزش پایه و تغییرات عمده در تولیدات صنعتی، اقتصاد بهداشت، مدیریت محیط زیست و حفظ منابع طبیعی خواهد شد. به گونه ای که در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده یک بازار جهانی بیش از ۱۰۰۰ میلیارد دلاری را ایجاد خواهد کرد و جهان را برای رسیدن به توسعه پایدار امیدوار ساخته 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 و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی دوام پذیری منابع کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست می باشد که منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پس آب و آلودگی را کاهش خواهد داد. هم چنین فن آوری های جدید، امکان بازیافت و استفادهٔ مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، می تواند تأثیر قابل ملاحظه ای، در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می دهد، در ایجاد و درمان مسائل زیست محیطی از طریع کنترل انتشار آلاینده ها، در توسعهٔ فن آوری هیا سبز (Green technoligy) جدید که محصولات جانبی ناخواستهٔ کمتری دارند و یا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب ، داشته باشد. لازم به ذکر است، نانو تکنولوژی توان حذف آلودگی های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.
● 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.
http://www.njavan.com/images/article/break.gif[tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh][tashvigh]مهندس علی رضائی، کارشناس ارشد مهندسی صنایع، رئیس واحد سیستم ها (SHEQ)
مهندس سعید شایان کیا، کارشناس محیط زیست واحد سیستم ها (SHEQ) ـ کارخانه سیمان سپاهان، (Safety Health,Environmental & Qality)
● منابع
Feyman,R.;There is plenty of room at the bottom; Caltech in institute,۱۹۵۹, URL
WTEC;Review U.S. R&D status and Trends in Nanoparticles,Nanostrured materials, and Nnodevices singel,R.,E.Hu,M.Roco and G.Holdrige, Loyola University,Baltimore, Maryland, ۱۹۹۷
www.Newscientist.com
www.smalltimes.com
wapmi.ir/new/nana.htm. ww
انجمن مطالعات پیشرفته علوم پایه
http://www.iasbs.ac.ir
iafahan.com/findex.htm
www.tco.ac.ir/nano
http://irannano.org
http://pershianblog.comماهنامه صنعت سیمان