نانو مواد سنگ بنای علم نانو و فناوری نانو هستند. این فناوری بخش وسیع و میان رشته‌ای از فعالیت‌های تحقیق و توسعه را شامل می‌شود، و در طی چند سال گذشته به صورت انفجاری در جهان رو به رشد است.
فناوری نانو در مورد مطالعه و کاربرد مواد بسیار ریز (مواد در ابعاد بین 1 تا 100 نانو متر) در زمینه‌های مختلف مانند شیمی، زیست شناسی، فیزیک، علوم مواد و مهندسی است.
تاریخچه نانو
ایده‌ها و مفاهیم مربوط به علم نانو، با گفت و گویی تحت عنوان “فضای زیادی در زیر وجود دارد” توسط فیزیکدان معروف ریچارد فاینمن، در یک نشست انجمن فیزیکی آمریکا در موسسه فناوری کالیفرنیا (کالتک) در 29 دسامبر سال 1959، بسیار قبل‌تر از آن که از این اصطلاح استفاده شود آغاز شد. فاینمن در صحبت‌های خود فرآیندی را توصیف کرد که در آن دانشمندان قادر بودند اتم و مولکول‌های منفرد را دستکاری کنند. وی در آن سخنرانی این نکته را مطرح ساخت که اصول علم فیزیک جز امکان ساختن اتم به اتم اشیا را بیان نمی‌کند. بیش از یک دهه بعد پروفسور نوریو تانیگوچی که بر روی ماشین‌های فوق دقیق کار می‌کرد برای اولین بار از اصلاح نانو تکنولوژی استفاده کرد. بعد از سال 1981 و با توسعه میکروسکوپ تونلی روبشی دوره مدرن نانوتکنولوژی شروع شد.
مفاهیم اصلی نانو تکنولوژی
تصور این که نانوتکنولوژی تا چه حد می‌تواند کوچک باشد سخت است. یک نانومتر یک میلیاردم متر یا 10-9 متر است. در اینجا چند مثال به منظور درک بهتر شما آورده شده است.
- در هر اینچ 25400000 نانومتر وجود دارد
- ضخامت صفحه روزنامه در حدود 100000 نانومتر است
- اگر سنگ مرمر یک نانو متری داشته باشیم، یک متر معادل با کره زمین خواهد بود.
علم نانو شامل مشاهده و کنترل اتم‌ها و مولکول‌های منفرد است. تمام چیزهایی که در زمین وجود دارد مانند غذایی که می‌خوریم، لباسی که می‌پوشیم، ساختمان‌ها و خانه‌هایی که در آن زندگی می‌کنیم و حتی بدن خودمان از اتم ساخته شده است. اما چیزهایی که به اندازه یک اتم کوچک هستند با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند.
در حقیقت حتی با استفاده از میکروسکوپ‌های عادی که در کلاس‌های علوم دبیرستان مورد استفاده قرار می‌گیرد نیز قابل مشاهده نیستند. میکروسکوپ‌هایی که با آن می‌توان چیزهایی در مقیاس نانو را دید، از حدود 30 سال پیش اختراع شدند. از وقتی که ابزار مناسبی مانند میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) اختراع شد عصر فناوری نانو آغاز شد. اگرچه علم و فناوری نانو کاملا جدید هستند، اما از قرن‌ها پیش از آن‌ها استفاده می‌شد. ذرات طلا و نقره با اندازه‌های مختلف صدها سال پیش در رنگ آمیزی شیشه کلیساهای قرون وسطی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. در آن زمان، هنرمندان نمی‌دانستند که روشی که برای خلق آثار هنری زیبا به کار می‌برند، در واقع منجر به تغییر در ترکیب موادی شده که با آن‌ها کار می‌کردند.
تحقیقات
دانشمندان و مهندسان امروزی روش‌های متنوعی را برای ساختن مواد در مقیاس نانو پیدا کرده‌اند، تا بتوانند از خواص منحصر به فرد آن‌ها مانند استحکام بیشتر، وزن سبکتر، افزایش کنترل طیف نور و واکنش پذیری شیمیایی بیشتر استفاده کنند. این ویژگی‌ها به خاطر اثرات کوانتومی و تاثیرات فیزیکی مانند افزایش مساحت سطح ایجاد می‌شوند.
علاوه بر این، این واقعیت که اکثر فرآیندهای بیولوژیکی در مقیاس نانو اتفاق می‌افتد ایده تجسم و ساختن فرآیندی جدید را به دانشمندان داد تا از آن در کارهای خود برای بهبود فرآیندهای پزشکی، تصویربرداری، محاسبات، چاپ، کاتالیزگرهای شیمیایی، سنتز مواد و بسیاری زمینه‌های دیگر استفاده کنند. کار در مقیاس نانو باعث می‌شود که دانشمندان از خصوصیات فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی، و نوری منحصر به فرد که به صورت طبیعی در این مقیاس اتفاق می‌افتد، استفاده کنند.
تاثیر اثرات کوانتومی بر روی خواص ذرات
هنگامی که ذرات جامد با مقیاس قابل مشاهده را با ذرات جامد که فقط توسط میکروسکوپ نوری قابل مشاهده هستند را مقایسه می‌کنیم تفاوت چندانی بین خواص آن‌ها مشاهده نمی‌کنیم. اما هنگامی که ذرات با ابعاد 1 تا 100 نانومتر ایجاد می‌شود (جایی که ذرات را می‌توان تنها با میکروسکوپ‌های قوی دید)، خصوصیات مواد به طور قابل توجهی نسبت به مقیاس‌های بزرگ تغییر می‌کند. این تغییر خواص بر اثر تغییر مقیاس ذره را اصطلاحا اثرات کوانتومی بر رفتار و خواص ذرات می‌گویند.
بنابراین وقتی که سایز ذرات به مقیاس نانو تبدیل می‌شود خواص مختلف مانند نقطه ذوب، فلورسانس، هدایت الکتریکی، تراوایی مغناطیسی و واکنش پذیری شیمیایی به صورت تابعی از اندازه ذرات تغییر می‌کند. نانوذرات طلا از خود خواص بی‌نظیری را نشان می‌دهند که فقط در مقیاس نانو می‌توان دید. نانوذرات طلا بر خلاف شناختی که داریم زرد رنگ نیستند و به صورت قرمز یا بنفش به نظر می‌رسند. در مقیاس نانو حرکت الکترون‌های طلا محدود می‌شود. لذا نانوذرات طلا نسبت به ذرات طلا در مقیاس بزرگتر در مقابل نور واکنش متفاوتی از خود نشان می‌دهند. نانوذرات طلا به صورت انتخابی در تومورها جمع می‌شوند و بدونه آسیب رساندن به سلول‌های سالم تصویربرداری دقیق یا تخریب لیزری هدفمندی از تومورها را انجام می دهند.
نتیجه جالب و قدرتمند دیگر تاثیر کوانتومی نانوذرات مفهوم تنظیم پذیری خواص است. یعنی یک دانشمند با تغییر دادن اندازه ذره به معنای واقعی کلمه خواص یک ماده را مطابق با نظر خود تنظیم کند. یکی دیگر از اثرات کوانتومی قدرتمند نانوذرات تحت عنوان تونل زنی شناخته می‌شود. که از این خاصیت در میکروسکوپ تونلی روبشی و فلش مموری برای محاسبات استفاده می‌شود.
با گذشت هزاره‌ها طبیعت، هنر بیولوژی را در مقیاس نانو کامل کرده است. بسیاری از کارکردهای داخلی سلول‌ها به طور طبیعی در مقیاس نانو اتفاق می‌افتد. به طور مثال هموگلوبین، پروتئینی است که اکسیژن را از طریق بدن منتقل می‌کند و تنها 5/5 نانومتر قطر دارد. رشته‌های DNA که یکی از بلوک‌های ساختمانی بدن انسان است در حدود 2 نانومتر قطر دارد.
تاثیر اندازه ذرات
مواد نانومقیاس دارای مساحت سطح به مراتب بالاتر نسبت به مواد هم جرم خودشان اما با مقیاس ذرات بزرگتر هستند. با افزایش مساحت، سطح در دسترس افزایش پیدا می‌کند که به طور مستقیم بر روی واکنش پذیری تاثیر می‌گذارد. از طریق یک آزمایش ساده می‌خواهیم ثابت کنیم که چرا مساحت سطح مواد در مقیاس نانو افزایش پیدا می‌کند. یک جامد مکعبی را در نظر بگیرید که هر ضلع آن یک سانتی‌متر است. بنابراین مساحت سطح آن 6 cm2 خواهد بود. اما اگر آن را به مکعب‌های کوچکتر با ضلع 1 mm تقسیم کنیم مساحت سطح در دسترس به 60 cm2 افزایش پیدا می‌کند. حال اگر همان مکعب را به مکعب‌های کوچکتر با ابعاد 1 nm تقسیم کنیم مساحت سطح در دسترس به 60 میلیون سانتی متر مربع افزایش پیدا می‌کند.
یکی از کاربردهای مساحت سطح بزرگ و در نتیجه آن بهبود واکنش‌پذیری، استفاده از مواد نانوساختار برای ساخت کاتالیست‌های بهتر است.
دسته بندی نانومواد
نانومواد دارای اندازه بسیار کوچکی هستند و باید حداقل یکی از ابعاد آن کمتر از 100 نانومتر باشد. نانومواد به چهار دسته تقسیم می‌شوند که شامل نانو مواد صفر بعدی (یعنی نانوموادی که در هر سه بعد در مقیاس نانو هستند مانند ذره‌ها)، نانومواد یک بعدی (یعنی نانوموادی که در دو بعد در مقیاس نانو هستند مانند نانومیله‌ها، نانو سیم‌ها، نانولوله‌ها و …)، نانومواد دو بعدی (یعنی نانوموادی که تنها در یک بعد مقیاس نانو دارند مانند پوشش‌های سطحی) و نانومواد سه بعدی (یعنی نانوموادی که در هیچ یک از ابعاد در مقیاس نانو نیستند ولی از ذرات نانو به هم چسبیده تشکیل شده‌اند مانند نانوکامپوزیت‌ها). آن‌ها می‌توانند به صورت منفرد، ذوب شده، توده شده یا آگلومره شده با اشکال مختلف مانند کره، لوله و کره نامتقارن وجود داشته باشند. انواع رایج نانومواد شامل نانولوله، درخت‌پار (Dendrimer)، کوانتوم دات و فولرن هستند.
a) نانوساختار صفر بعدی b) نانوساختار یک بعدی c) نانوساختار دو بعدی d) نانوساختار سه بعدی
کاربردهای نانوتکنولوژی
کاربرد نانوتکنولوژی در سرطان
نانوتکنولوژی سرطان یک علم میان رشته‌ای بین علوم، مهندسی و پزشکی است که کاربردهای وسیعی در زمینه تصویر برداری مولکولی، تشخیص مولکول (خوش خیم یا بد خیم بودن) و درمان هدفمند دارد. دلیل اصلی آن این است ذرات نانومتری مانند، نقاط کوانتومی نیمه هادی و نانوکریستال‌های اکسید آهن دارای یک سری خواص نوری، مغناطیسی و ساختاری هستند که در مولکول‌ها و توده مواد جامد دیده نمی‌شود. این نانوذرات وقتی که به لیگانت‌های تومر هدف متصل می‌شوند مانند آنتی‌بادی‌های منوکلونال، پیپتیدها یا مولکول‌های کوچک عمل می‌کنند و می‌توانند به عنوان آنتی‌ژن‌های تومور استفاده شوند.
در محدوده قطر بین 5 تا 100 نانومتر، نانوذرات دارای مساحت سطح بالا و گروه‌های کاربردی که شامل چندین عامل تشخیصی (مانند نوری، رادیوایزوتوپی و مغناطیسی) و عامل درمانی (مانند ضدسرطان) هستند. پیشرفت‌های اخیر منجر به تولید پروب‌های نانوذرات زیست توده شده است که کاربرد زیادی در تصویربرداری از مولکول‌ها و سلول‌ها، داروهای هدفمند از نانوذرات برای درمان سرطان و ابزار نانویی یکپارچه برای تشخیص سریع سرطان در مراحل ابتدایی مبتلا شدن به آن دارند.
کاربرد نانوتکنولوژی در تصفیه پساب
تامین آب پاک و مقرون به صرفه برای بشر یک چالش بسیار بزرگ در قرن 21 است. در سراسر جهان عواملی همچون تقضای رو به رشد مصرف آب به دلیل افزایش سریع جمعیت و تغییرات آب و هوایی، منابع آب را در معرض خطر جدی قرار داده است. فناوری نانو دارای پتانسیل بالایی در پیشبرد تصفیه آب و پساب جهت بهبود بازده تصفیه و همچنین تقویت منابع آب از طریق استفاده ایمن از منابع آب غیر متعارف دارد.
همان طور که در بالا نیز اشاره شد تعریف نانومواد به این صورت است که باید حداقل در یک بعد، مقیاس کمتر از 100 نانومتر داشته باشند. این ویژگی باعث می‌شود که نانوذرات دارای یک سری ویژگی‌های منحصر به فرد از قبیل انحلال سریع، واکنش‌پذیری بالا و جذب قوی باشند. کاربرد نانو تکنولوژی در حوضه تصفیه پساب را می‌توان به طور کلی در سه بخش جذب، غشاء و فوتوکاتالیست تقسیم بندی کرد.
جذب
جذب یکی از روش‌های رایج حذف آلودگی‌های آلی و معدنی از پساب است اما معمولا بازده تصفیه توسط مساحت سطح، جایگاه‌های فعال، انتخاب پذیری پایین و سنتیک جذب محدود می‌شود. جاذب‌های نانویی به دلیل سطح ویژه بسیار بالا، سایت جذب مناسب، طول جذب کوتاه درون ذره، اندازه منافذ قابل تنظیم و شیمی سطح مناسب پیشرفت قابل توجهی را در این زمینه ایجاد کرده‌اند. از جمله نانوذراتی که برای حذف آلاینده از پساب با استفاده از فرآیند جذب استفاده می‌شود می‌توان به نانوجاذب‌های پایه کربنی، نانوجاذب‌های پایه فلزی و نانوجاذب‌های پلیمری اشاره کرد.
غشاء‌ها و فرآیندهای غشائی
هدف اصلی تصفیه آب از بین بردن عناصر نامطلوب از آب است. غشاها و فرآیندهای غشایی بر اساس اندازه آن‌ها می‌توانند به عنوان یک سد فیزیکی برای آلاینده‌های موجود در آب باشند و امکان استفاده از منابع آب غیر متعارف را فراهم می‌آورند. یکی از چالش‌های اصلی در فرآیندهای غشائی تقابل ذاتی بین انتخاب پذیری غشاء و نفوذپذیری است. مصرف زیاد انرژی در فرآیندهای غشائی تحت فشار نیز یکی دیگر از معایب این روش است. رسوب تشکیل شده بر روی غشاء به پیچیدگی طراحی و عملکرد فرآیند می‌افزاید.
علاوه بر این طول عمر غشاء و ماژول‌های غشائی را نیز کاهش می‌دهد. عملکرد سیستم‌های غشایی تا حد زیادی به مواد استفاده شده در غشاء بستگی دارد. استفاده از ترکیب نانومواد کاربردی در غشاء فرصت مناسبی برای بهبود نفوذپذیری غشاها، مقاومت در برابر رسوب، مقامت مکانیکی و حرارتی بالا و همچنین ارائه عملکردهای جدید برای تخریب آلاینده‌ها و ایجاد خاصیت خود تمیزشوندگی در غشاء را فراهم آورده است.
فوتوکاتالیست
اکسیداسیون فوتوکاتالیستی یک فرآیند اکسیداسیون پیشرفته برای از بین بردن آلاینده‌ها آلی و پاتوژن‌های میکروبی است. مانع اصلی در این روش که از کاربرد گسترده آن جلوگیری می‌کند آهسته بودن سنتیک واکنش به دلیل محدود بودن تابش نور و فعالیت فوتوکاتالیستی می‌باشد. TiO2 یک فوتوکاتالیست نیمه رسانا است که به دلیل یک سری ویژگی‌ها مانند سمیت کم، پایداری شیمیایی بالا، قیمت پایین و زیاد بودن به عنوان ماده اولیه کاربرد گسترده‌ای در تصفیه آب و پساب دارد.
فرآیند تصفیه آب با استفاده از فوتوکاتالیست به این صورت است که بر اثر تابش نور به فوتوکاتالیست جفت الکترون و حفره برانگیخته می‌شوند که یا بعدا به سطح مهاجرت می‌کنند و گونه‌های اکسیژن دار واکنش‌پذیر را تولید می‌کنند یا دچار نوترکیبی می‌شوند که بسیار نامطلوب است. فعالیت فوتوکاتالیستی با استفاده از بهبود ساختار و شکل ظاهری فوتوکاتالیست و همچنین آلایش فلزات نجیب بهبود پیدا می‌کند.
