نانو مواد

آلودگی هوا یک معضل جهانی است که بر اساس تحقیقات میدانی صورت گرفته از سوی سازمان سلامت جهانی از هر ده نفر جمعیت شهری، نُه نفر در معرض آلودگی هوا هستند به طوری که هوای ناسالم جان هفت میلیون نفر را در سال ۲۰۲۲ گرفته است.

 آلودگی هوا شامل آلودگی هوای محیط‌های داخل و آلودگی هوای محیط بیرون (محیط های عمومی جامعه و محیط های صنعتی) می‌باشد. نمونه برداری از آلاینده های هوابُرد زیست محیطی و صنعتی جز لاینفک پایش و کنترل این آلاینده ها و پیشگیری از بروز مضرات آنها بر سلامت انسان و حیات محیط زیست می باشد. به منظور نمونه برداری از آلاینده های هوابُرد باتوجه به ماهیت فیزیکی و شیمیایی آنها نیاز به اتخاذ مدیای نمونه بردار مناسب خواهد بود.

این موضوع اهمیت استفاده از علوم و تکنولوژی­ های نوین مثل نانو را جهت کنترل آلاینده ­های تولیدی نشان می ­دهد. کاربرد این علم باعث استفاده بهینه از مواد خام، انرژی، آب و سایر منابع می­ شود. همین موضوع منجر به آزادسازی کم­ تر مواد سمی و در نتیجه آزادسازی آلاینده ­های کم ­تر می ­شود. به علت طول عمر چندین هزار ساله، بهترین روش حفظ انسان و زمین ازخطرات آن ­ها جلوگیری از تولید آن­ ها در منبع است. تکنولوژی نانو با بکارگیری خواص نانومواد، در جاذب، غشا، سنسور و کاتالیست­ ها امکان کنترل و اصلاح آلاینده­ ها را فراهم می کند.

واژه “نانو” از کلمه یونانی به معنای کوتوله گرفته شده است که  برابر با  یک میلیاردم متر (9-10) است و می‌توان آن را با طول ده اتم هیدروژن که در یک ردیف قرار گرفته‌اند، نشان داد. نسبت سطح به حجم بالا باعث افزایش جذب یک ماده در مقیاس نانو می ­شود که مقرون به صرفه­ ترین و موثرترین روش حذف آلاینده ­های گازی را در مقیاس­ های مختلف فراهم می ­کند.

استفاده از فوتوکاتالیست­ ها و مواد جذب سطحی متخلل باعث جذب این مواد فرار از طریق پیوندهای شیمیایی شده و از تماس آن با انسان جلوگیری می­ کند. حذف آلاینده ­های گازی روش جذب سطحی از طریق استفاده از نانومواد، روشی موثر، مقرون به صرفه، در دسترس­ و منعطف است. جذب سطحی یک فرایند بر روی سطح است که به منظور حذف آلاینده ­های آلی و غیر آلی از هوا و آب استفاده می­ شود. جاذب­ های معمولی جایگاه­ های فعال محدود و بازدهی پایینی دارند. استفاده از تکنولوژی نانو برای تهیه نانوجاذب ­ها، منجر به بهبود جذب سطحی، افزایش سطح ویژه (نسبیت سطح به حجم بالا) و جایگاه­ های اختصاصی، کاهش فاصله نفوذ بین­ذره­ ای، تنظیم اندازه حفرات و شیمی سطح می ­شود. شایان ذکر است که همه ویژگی­ های مذکور و افزایش قابل توجه جذب به علت خواصی است که مواد در مقیاس نانو از خود نشان می ­دهند.

نانوجاذب ­ها به طور موثر برای حذف ترکیبات آلی، یون­ های فلزی و سایر ترکیبات خاص دیگر بکار می­ روند. جاذب ­ها دارای جنس ­های مختلف پلیمری، مغناطیسی، نانو مغناطیسی، اکسید فلزی و زئولیتی هستند. کاربرد نانوذرات باید بی­ خطر باشد و برای محدوده بالا و پایین آلودگی کاربردی باشد. همچنین پس از استفاده از هر جاذب باید قابلیت تمیز شدن و استفاده مجدد از آن وجود داشته باشد. فاکتورهایی مثل شکل، ساختار کریستالی، ترکیب شیمیایی، حلالیت و قابلیت انباشتگی برای هر جاذب باید بررسی شوند. نانو جاذب ­ها دارای جنس ­های مختلف پلیمری، مغناطیسی، نانو مغناطیسی، اکسید فلزی و زئولیتی هستند.  در ادامه به برخی از نانوجاذب های شناخته شده در جذب و حذف آلاینده های هوا پرداخته می شود.

نانولوله‌های کربنی که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه‌ای توخالی ساخته شده‌است در سال ۱۹۹۱ در شرکت NEC ژاپن کشف شد. نانو لوله های کربنی استوانه هایی از جنس کربن هستند که قطر دیواره آن ها در حد نانومتر است. این لوله ها که انتهای باز یا بسته دارند به صورت تک دیواره یا چند دیواره هستند.  خواص ویژه و منحصر به فرد آن از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانولوله‌ها (به خاطر این که کربن ماده‌ای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزان‌تر می‌باشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روش‌های رشد نانولوله‌ها باشد.

 نانو لوله های کربنی مناسبترین وسیله برای جذب آلاینده های سمی از قبیل دیوکسین ها و دیگر آلاینده های موجود در گاز خروجی از دودکش های کوره های زباله سوز به شمار میروند. مواد سمی از نوع دیوکسین عموماً محصول جانبی بسیاری از فرآیندهای صنعتی هستند که ضمن پایداری فراوان، باعث آلودگی بلند مدت هوا، خاک، آب و در نهایت زنجیره غذایی موجودات زنده می شوند. برخی از دیوکسین ها سرطانزا هستند و بسیاری از آنها باعث اختلال در سیستم ایمنی بدن انسانها می شوند.

سیلیکاهای مزوپروس میان­متخلخل ؛ گروهی از نانو مواد هستند که می‌توانند به عنوان جاذب آلاینده های هوا مورد استفاده قرار گیرند. نانوذرات سیلیکای میان‌متخلخل با واکنش دادن تترااتیل اورتو سیلیکات (TEOS) در یک الگوی مولکولی خاص ساخته می‌شود. نتیجه آن تولید نانو ذرات کروی یا میله ای که با ساختار تخلخل پر شده‌اند می‌باشد. مهمترین ویژگی‌های ساختارهای سیلیکاتی متخلخل؛ مساحت سطحی بالا، حجم تخلخل بالا، و منافذ باریک و منظم  نانومتری است. حفرات موجود در مواد متخلخل به دو نوع باز و حفرات بسته تقسیم می‌شوند. حفرات باز به سطح ماده دسترسی دارند ولی حفرات بسته در درون ماده محبوس هستند، در کاربردهای اساسی نظیر فرایندهای کاتالیستی، جداسازی و فیلتراسیون، حفرات باز نقش اساسی دارند، اما مهمترین کاربرد حفرات بسته شامل ساخت عایق‌های حرارتی، صوتی و وسایلی با چگالی پایین می‌باشد. از مهم ترین مواد سیلیکای مزوپروس متخلخل می توان به  MCM  و SBA می‌باشند که به عنوان کاتالیزور و جاذب آلاینده های هوا مورد استفاده قرار گرفته اند. وجود گروه های عاملی هیدروکسیل و آمینی در ساختار این نانوجاذب ها آنها را قادر به جداسازی ترکیبات قطبی و نیتروژن دار از مدیای هوا کرده است. در تصویر ذیل نمای شماتیک برخی از پرکاربردترین نانوذرات سیلیکای میان متخلخل نشان داده شده است.

پليمرهاي قالب مولكولي (Molecular Imprinting Polymer: MIP) از نظر كاربرد و ساختار شبيه آنتي بادي ها هستند كه براي شناسايي آناليت هدف عملكرد اختصاصي دارند. اما برخلاف آنتي بادي ها كه تنها يك يا تعداد محدودي جايگاه براي شناسايي آناليت هدف دارند اين پليمرها تا چندهزار جايگاه نيز مي­توانند داشته باشند. در ادامه مولكول غالب را از ساختار به دست آمده خارج مي كنند كه در نتيجه اين كار جايگاه­هاي پيوندي به دست مي آيند كه از نظر شكل، اندازه، گروه هاي عاملي و جهت گيري فضايي با مولكول قالب مطابقت دارند. با اين كار، جاذبي حاصل مي شود كه مي تواند آناليت متناظر با قالب را به طور اختصاصي از ماتريكس جدا نمايد و منجر به تهیه یک جاذب با قابلیت جداسازی اختصاصی و گزینه پذیری مطلوب شود و متعاقبأ باعث افزایش دقت و  صحت استخراج آنالیت از ماتریکس های مایع و گازی شود.

جاذب­های با چارچوب فلزی- آلی (Metal Organic Framework: MOFs) از جمله جاذب­های نوین می باشند که متشکل از یون­های یا خوشه­های فلزی و رابط­های آلی می­باشند که دارای ساختار بلورین منظم و منافذ با مشخصات معین و قابل­کنترل هستند. در این نوع جاذب­ها ساختار کریستالی آنها تعیین­کننده اندازه منافذ، شکل جاذب، نوع انصال بین رابط­های آلی با آنالیت مدنظر و همچنین تعیین­ کننده نحوه­ی قرارگیری کانال­های جاذب در کنار یکدیگر می­باشد.

از ویژگی­های منحصربفرد این نوع جاذب­ها می­توان به میزان تخلخل فوق­العاده، حفره­های یکنواخت، پایداری حرارتی بالا، سطح تماس بسیار بالا، عملکرد عالی گروه­های عاملی، انعطاف­پذیری به­منظور تنظیم­کردن اختصاصی مشخصات جاذب با آنالیت مدنظر و همچنین قابلیت ادغام شدن با سایر جاذب ها به منظور افزایش راندمان استخراج آنالیت و دقت و صحت نتایج حاصله اشاره کرد. در دسترس بودن رابط­های آلی متعدد و یون­های فلزی امکان ساخت تعداد نامحدودی از چارچوب های آلی-فلزی با ساختار، توپولوژی و میزان تخلخل متفاوت را فراهم آورده است و تاکنون بیش از 20,000 نوع چارچوب های آلی-فلزی معرفی‌شده است.

چارچوب های آلی-فلزی در زمینه خالص­سازی گازهای O2 و N2 و همچنین جداسازی CO2 از CH4 در گازهای طبیعی، نقش بسیار مهمی در بسیاری از صنایع بر عهده دارند. یکی از مهم ترین کاربردهای چارچوب‏های فلزی- آلی کاربرد کاتالیستی می‏باشد. دارا بودن خاصیت هیبرید آلی- معدنی همراه با حفره ‏دار بودن در ساختارهای آلی-فلزی امکان وجود یک یا چند مکان فعال کاتالیزگری را در یک حفره به وجود می‏آورد. فعالیت کاتالیستی چارچوب‏های فلزی- آلی به طور عمده به ساختار فلزی موجود در ترکیب وابسته هستند. انعطاف پذیری در سنتز این مواد، امکان کنترل اندازه و محیط حفره‏ها را امکان‏پذیر می‌کند و امکان عملکرد گزینشی بیشتری را فراهم می‏سازد. همچنین حفره‏ های چارچوب‏های فلزی-آلی، می‏توانند به عنوان میزبان گونه های فعال کاتالیزوری که مولکول های مهمان نامیده می‏شوند، عمل کنند.

هیدروکسید دوگانه لایه­ای (Layered Double Hydroxide: LDHs) نماینده گروهی از مواد معدنی با ترکیب و ساختار شیمیایی متغیر می‌باشند. این جاذب‌ها به عنوان هیدروتالسیت یا رُس آنیونی شناخته می شوند. به طور معمول، LDH ها نانوساختار‌های دو بُعدی هستند که از لایه های با بار مثبت هیدروکسید های فلز، آنیون های متعادل کننده بار و برخی مولکول های آب در بین لایه ها، تشکیل شده اند.

 از نقطه نظر ساختار شیمیایی، کاتیون های فلزی در یک LDH در واحدهای هشت وجهی قرار دارند که لبه های مشترکی برای تشکیل لایه های فلزی با ساختار بروسیت دارند. جایگزینی جزئی کاتیون های دو ظرفیتی با سه ظرفیتی آنها منجر به ایجاد بارهای مثبت در لایه های معدنی می شوند که توسط آنیون های ساندویچ شده بین لایه ها متعادل می شوند که این موجب فراهم سازی امکان ساخت انواع جاذب LDH با اهداف مختلف می شود. هیدروکسیدهای دوگانه لایه­ای به دلیل ساختار لایه‌ای خاص (فضای بین لایه‌ای زیاد)، یک لایه بار مثبت در سطح خود، ظرفیت بالای تبادل آنیون، سطح وسیع و پایداری حرارتی خوب، به طور بالقوه جاذب‌های خوبی برای فرآیندهای استخراج هستند.

آرایش های بین لایه ای در داخلLDH ها به عنوان روشی برای ذخیره اطلاعات می باشد، همچنین روش تهیه این ترکیبات در آزمایشگاه و صنعت نیز ساده و ارزان قیمت بوده و سازگار با محیط زیست هستند. این ترکیبات، چگالی بار، انعطاف پذیری، ظرفیت تغییر آنیونی و نسبت سطح به حجم بالایی در مقیاس نانو دارند و مانند بسیاری از مواد معدنی نانو ساختار دیگر می توانند به عنوان حفره هایی موثر و مفید برای انتقال بیومولکول ها به داخل سلول های زنده بکار روند و در جهت پایداری سلول ها، رشد و کارکرد مناسب آنها عمل کنند. از سایر کاربردها می توان به استفاده به عنوان کاتالیزور، کمک کاتالیزور، حاملین بیومولکول ها و داروها، جاذب آلاینده ها، حسگرها، مواد افزودنی در پلیمرها و تشکیل نانوکامپوزیت ها، پیش مواد اکسیدهای فلزی، مواد ضدخوردگی و قالب هائی در نانوذرات فلزی، فتوشیمی، الکتروشیمی و نیز تهیه باتری ها اشاره کرد.