سالیانه تکنولوژی ها و صنایع پیشرو در دنیا در حال پیشرفت هستند که بخشی از پیشرفت خود را مدیون فناوری نانو و نانو ذرات می باشند. کشور ما نیز از این قافله عقب نبوده و در سال های اخیر صنایع مختلفی نظیر صنعت آرایشی و بهداشتی، صنعت رنگسازی، صنعت پلیمر، صنعت کاشی و سرامیک، صنعت خودروسازی، صنعت نساجی و…. از فناوری نانو در تولید محصولات خود استفاده می نمایند.
خواص فیزیکوشیمیایی تقویت شده نانو ذرات نسبت به ذرات میکرومتری باعث شده است تا علاوه بر بهبود کیفیت و عملکرد محصولات صنایع مصرف کننده مقدار استفاده آنها نیز کاهش یافته و بدین وسیله هزینه تولید صنایع کاهش یابد. اما صاحبان صنایع باید در نظر داشته باشند که شرایط استفاده از نانو ذرات حالتی بهینه دارد که نیاز است رعایت شود چرا که در غیر اینصورت نتیجه مطلوب حاصل نخواهد شد.
در این مقاله قصد داریم به بررسی شرایط استفاده از نانو ذرات بپردازیم تا صنایع مصرف کننده با دیدگاه روشن تری از این فناوری استفاده نمایند.
آنچه نانو ذرات را منحصر بفرد کرده است
زمانی که مواد به ذراتی با ابعاد 100-1 نانومتر تبدیل می شوند خواص فیزیکوشیمیایی آنها نسبت به حالتی که ابعادشان نانومتری نیست (حالت بالک ماده – میکرومتری) می تواند به طرز چشمگیری تغییر کند. اما در مقیاس نانومتری چه اتفاقی می افتد که خواص مواد را دستخوش تغییر می کند؟ در مقیاس نانومتری، اثرات کوانتومی هستند که رفتار و خواص نانو ذرات را کنترل می کنند.
یکی از نتایج شگفت انگیز و قدرتمند اثرات کوانتومی در مقیاس نانومتری پدیده تنظیم پذیری خواص نانو مواد است، بدین معنی که با تغییر اندازه ذرات نانو مواد می توان خواص آنها را مطابق با آنچه که مد نظر است تغییر داد. در مقیاس نانومتری خواص مواد نظیر نقطه ذوب، رسانایی الکتریکی، نفوذ پذیری مغناطیسی و فعالیت شیمیایی می توانند با کاهش یا افزایش اندازه ذره تغییر کنند. به عنوان مثال، وقتی ابعاد ذرات طلا را تا رسیدن به مقیاس نانومتری کاهش می دهیم رنگ ذرات به رنگ قرمز یا بنفش تغییر می کند بسته به اینکه تا چه اندازه ابعاد آنها را کاهش دهیم که این پدیده ناشی از اثرات کوانتومی و تغییر یافتن فعل و انفعالات نانو ذرات طلا با امواج نور است.
در مثالی دیگر، وقتی مواد در مقیاس نانومتری قرار می گیرند سطح ویژه (نسبت سطح به حجم) آنها نسبت به حالت بالک خود افزایش چشمگیری پیدا می کند که در نتیجه این امر فعالیت شیمیایی آنها نیز بهبود می یابد. واحد اندازه گیری سطح ویژه مواد m2/g (متر مربع بر گرم) می باشد. سطح ویژه نانو ذرات بسته به اندازه ذره آنها می تواند از چند تا چند صد متر مربع بر گرم متغیر باشد. اگر فرض کنیم نانو ماده ای با سطح ویژه m2/g 100 داریم به این معنی است که 1 گرم از این ماده مساحتی برابر با 100 متر مربع دارد یا به عبارت دیگر مساحت 1 گرم از این ماده برابر با یک واحد آپارتمان 100 متری است!
سطح ویژه بالای نانو ذرات به معنی وجود پیوند های اتمی ناقص، اندرکنش های الکترونی و الکتروشیمیایی راحت تر و سریع تر و همچنین تماس سطح زیادی از ماده با محیط اطراف می باشد که همگی این عوامل دست به دست یکدیگر داده و خواص فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات نظیر: فعالیت شیمیایی، خاصیت آنتی باکتریالی، رفتار ضد قارچی، خاصیت کاتالیستی، خاصیت الکتروشیمیایی، خواص نوری و…. را بهبود دهند. چنین خواص تقویت شده نانو ذرات است که آنها را نسبت به مواد بالک متمایز کرده است. در مقاله قبلی ما می توانید بیشتر با فناوری نانو آشنا شوید.
شرایط استفاده از نانو مواد
مقدار استفاده نانو ذرات یکی از مهم ترین شرایط بکارگیری این فناوری در صنایع می باشد. با توجه به توضیحاتی که در بالا نیز داده شد، بدیهی است که وقتی قرار باشد نانو مواد جایگزین مواد بالک شوند بواسطه خواص تقویت شده ای که دارند باید مقدار مصرف آنها را کاهش داده و بهینه سازی نمود در غیر اینصورت تاثیرات نا مطلوبی بر محصول نهایی خواهند گذاشت.
برای درک بهتر این قضیه از نانو اکسید روی بعنوان مثال استفاده می کنیم و نتایج بدست آمده در مقالات علمی و همچنین نتایج بدست آمده در واحد تحقیق و توسعه آرمان نانو فناور رابین در مورد تاثیرات این ماده در محصول نهایی را بررسی می کنیم. نانو اکسید روی یکی از مهم ترین مواد ایجاد کننده خاصیت ضد میکروبی و ضد قارچی در محصولاتی نظیر: پلاستیک، کاشی و سرامیک، منسوجات و…. می باشد.
در یکی از پروژه های واحد تحقیق و توسعه که هدف آن ایجاد خاصیت آنتی باکتریال در کیسه های پلاستیکی بود، از نانو اکسید روی استفاده شد. برای این منظور، از نانو اکسید روی با مقادیر مختلف (درصد وزنی) استفاده گردید تا تاثیر آن بر رفتار آنتی باکتریال پلاستیک بررسی شود. نتایج بدست آمده از آنالیز آنتی باکتریال نشان دادند که با افزایش مقدار نانو اکسید روی در پلاستیک رفتار ضد میکروبی آن ابتدا افزایش پیدا کرده و سپس دچار کاهش شدید (عدم رفتار ضد میکروبی) شده است.
این نتایج نشان دادند که با افزایش بیش از حد مقدار نانو اکسید روی در محصول پلاستیکی اصطلاحا پدیده اُوِردوز (Overdose) اتفاق افتاده و خاصیت ضد میکروبی آن از بین رفته است.
مقاله جامعی در سال 2022 در مورد تاثیر نانو اکسید روی بر خوراک دام و طیور منتشر شد که در آن اثر مقدار استفاده از این ماده بر خواص خوراک بررسی شده است. بر اساس نتایج منتشر شده در این مقاله مشخص شد که استفاده بهینه از نانو اکسید روی در خوراک مرغ گوشتی منجر به رشد بهتر، تقویت سیستم ایمنی بدن، افزایش مقدار روی (Zn) در استخوان پا و افزایش سطح مس و آهن در کبد مرغ شده است اما استفاده بیش از حد این ماده در خوراک تاثیر منفی بر عملکرد آن گذاشته است. به عنوان مثال، حضور نانو ذرات اکسید روی در خوراک دام و طیور با غلظت های mg/kg 20 و mg/kg 60 باعث افزایش قابل توجه وزن مرغ پس از 14 روز شده اما با افزایش غلظت نانو اکسید روی در خوراک تا مقدار mg/kg 100 وزن مرغ پس از 28 روز کاهش یافته است.
جمع بندی این نتایج نشان می دهد که استفاده از نانو ذرات همواره مقداری بهینه دارد که در آن محصولی با بهترین کیفیت و بالاترین عملکرد همراه با هزینه تولید حداقلی حاصل می شود و این مقدار بهینه باید طی آزمایشات بررسی و محاسبه شود. از این رو صاحبان صنایع و محققین باید در نظر داشته باشند که جهت دستیابی به محصولی ایده آل با کمک فناوری نانو، ابتدا نیاز است تا شرایط بهینه استفاده از این فناوری را بررسی نمایند و بدین صورت از هزینه های اضافی جلوگیری شود.
منابع:
