نانو تکنولوژی یا نانو ذرات

نانوذرات به عنوان ذرات بسیار ریز با قطر بین 1 تا 100 نانومتر تعریف می شوند. در دهه های اخیر تحقیقات علمی گسترده ای در مورد کاربردهای مختلف نانوذرات در ساخت و ساز، الکترونیک، ساخت، لوازم آرایشی و پزشکی انجام شده است.

نانوذرات معمولاً از میکروذرات (۱–۱۰۰۰) و ذرات درشت (از ۲۵۰۰ تا ۱۰۰۰۰) نانومتر) متمایز می‌شوند، زیرا اندازه کوچکتر آنها خواص فیزیکی یا شیمیایی بسیار متفاوتی مانند خواص کلوئیدی و خواص نوری یا الکتریکی ایجاد می‌کند.

نانوذرات یا نانو تکنولوژی یا ذره بینهات ریز معمولاً به عنوان ذره ای از ماده تعریف می‌شود که قطری بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر (nm) دارد. این اصطلاح گاهی اوقات برای ذرات بزرگتر، تا ۵۰۰ نانومتر یا الیاف و لوله‌هایی که کمتر از ۱۰۰ نانومتر هستند نیز استفاده می‌شود

تاریخچه نانو تکنولوژی

1959

مفهوم نانوتکنولوژی در ابتدا توسط فیزیکدان مشهور ریچارد فاینمن در سال 1959 و از طریق سخنرانی خود با عنوان “جای زیادی در پایین وجود دارد” مطرح شد. که او در جلسه انجمن فیزیک آمریکا در موسسه فناوری کالیفرنیا ارائه کرد.

در این سخنرانی، او در مورد امکان استفاده از اتم ها به عنوان ذرات سازنده برای ایجاد محصولات در اندازه نانو بحث کرد.

1974

ایده های ارائه شده توسط فاینمن مورد توجه قرار نگرفت. تا اینکه در سال 1974 نوریو تانیگوچی کلمه “نانو فناوری” را در کنفرانس بین المللی مهندسی تولید معرفی کرد.

تانیگوچی فرآیندهای ایجاد ساختارهای نیمه هادی را با استفاده از روش های مختلف با دقت نانومتری تشریح کرد.

او رویکرد «بالا به پایین» را معرفی کرد که به برش یا برش پی در پی مواد حجیم برای ایجاد ذرات نانومتری اشاره دارد.

1986

در سال 1986 کیم اریک درکسلر ایده نانوتکنولوژی را توسعه داد و کتابی با عنوان “موتورهای خلقت: عصر آینده نانوتکنولوژی” منتشر کرد. در این کتاب، او ایده یک اسمبلر در مقیاس نانو را پیشنهاد کرد که ظرفیت و توانایی ساخت کپی از خود و چیزهای دیگر با پیچیدگی متمایز، معروف به نانوتکنولوژی مولکولی (MNT) را داشته باشد.

او رویکرد «پایین به بالا» را ارائه کرد. ایجاد مواد از اجزای مولکولی و اتمی – مولکول به مولکول، اتم به اتم. به دنبال ایده‌های استراتژی نانوتکنولوژی، اختراعات و اکتشافات مختلفی در زمینه‌های کاربردی بالقوه فناوری نانو انجام شد. تشدید قابل توجهی در تحقیقات و طراحی صورت گرفت و انتشارات در مورد فناوری نانو به شدت افزایش یافت.

2017

ابتکار ملی نانوتکنولوژی (2017) نانوتکنولوژی را به‌عنوان «درک و کنترل ماده در مقیاس نانو، در ابعادی بین 1 تا 100 نانومتر، که در آن پدیده‌های منحصربه‌فرد امکان کاربردهای جدید را فراهم می‌کنند» تعریف می‌کند پیشوند “نانو” به معنای 10-9 یا یک میلیاردم است.

از این رو، یک نانومتر یک میلیاردم متر است (سیستم بین المللی واحدها). طیف گسترده ای از سیستم های تولیدی وجود دارند. که قادر به دستکاری و ایجاد نانوساختارها به شکل، مورفولوژی، اندازه، ترکیب و ساختار کریستالی مورد نظر هستند.

فناوری نانو

امروزه، فناوری نانو فرصت‌های بالقوه‌ای را برای ایجاد مواد بهتر با خواص بهبود یافته برای استفاده در حوزه‌های کاربردی مختلف ارائه می‌دهد.

اتم های درون نانوذرات به طور بی عیب و نقصی مرتب شده اند. بنابراین، هنگامی که ابعاد یک ماده از اندازه ماکرو به اندازه میکرو (نانو اندازه) متراکم می شود. تغییرات اساسی در خواص ماده رخ می دهد.

تاثیر ابعاد ریز نانوذرات در فناوری نانو

ابعاد ریز نانوذرات منجر به انقلابی در فناوری نانو شده است. که تأثیر اساسی بر صنایع آرایشی، ساخت و ساز، الکترونیک، تولید و پزشکی داشته است. بر اساس تحقیقات بازار متفقین، در سال 2015، ارزش نانومواد 14741.6 میلیون دلار بود و پیش بینی می شد. تا سال 2022 به 55016 میلیون دلار برسد.

خواص و کاربردها

خواص فیزیکی و شیمیایی متمایز نانوذرات امکان طراحی سیستم‌هایی با حساسیت بالا، مساحت سطح بزرگ، اثرات سطحی ویژه، چگالی عملکردی بالا، اثرات کاتالیزوری و مقاومت در برابر کرنش بالا را می‌دهد. در سال 2015، فهرست محصولات مصرفی فناوری نانو (CPI) “1814 محصول مصرفی از 6222 شرکت در 32 کشور” را فهرست کرد.

نقره به عنوان پرمصرف‌ترین نانومواد شناخته شد. در حالی که دسته‌های بهداشت، پزشکی، ساخت، الکترونیک و مواد ساختمانی بیشترین محصولات را داشتند. برخی از کاربردهای نانوذرات در ساخت و ساز در جدول 1 نشان داده شده است.

چگالی کمتر و خواص استحکام بالاتر نانومواد انگیزه جدیدی برای رشد بازار فناوری های سبز سبز ایجاد می کند . نانوذرات می توانند با بهبود عملکرد مصالح ساختمانی و کاهش مصرف انرژی به کاهش استفاده از مواد طبیعی کمک کنند.

کاربرد نانوذرات

استفاده از نانوذرات در ساخت و ساز، رویکرد ارزان‌تر، سریع‌تر و ایمن‌تری را برای تولید مصالح ساختمانی ارائه می‌دهد. در بهبود خواص فنی مواد، هزینه‌های متحمل شده در طول چرخه عمر نانومواد را می‌توان کاهش داد و به رویکرد منطقی‌تری برای استفاده از مواد خام در ساخت‌وساز دست یافت . دوام و کارایی محصول را می توان افزایش داد. و به سطوح عملکرد بالاتری در تولید مواد خام دست یافت.

نانوتکنولوژی این پتانسیل را دارد که بخش ساخت و ساز را به دوره ای متمرکز بر حفاظت از محیط زیست و رقابت نوآوری تبدیل کند، و علاوه بر این، این قابلیت را دارد که با وعده “بیشتر برای کمتر” محیط ساخته شده ما را به طور اساسی تغییر دهد.

اثرات زیست محیطی

تحقیقات محدودی در مورد نگرانی قابل قبول در مورد اثرات طولانی مدت نانومواد بر محیط زیست و سلامت انسان در دسترس است.

اثرات نامطلوب درازمدت ممکن است به دلیل قرار گرفتن طولانی مدت در معرض نانوذرات و همچنین استفاده از محصولاتی که نانوذرات را در خود جای داده اند ایجاد شود.

یکی دیگر از نگرانی های اصلی، توانایی دپارتمان های حقوقی در سراسر جهان برای همگام شدن با استفاده روزافزون از این نانوذرات و حفظ اعتماد مصرف کننده با محصولاتی است که خریداری می کنند. این امر از برخی تولیدکنندگان خواسته است که دقیقاً چه نانوذراتی را به عنوان مواد تشکیل دهنده مورد استفاده قرار می‌دهند فهرست کنند.

علاوه بر این، نگرانی های بیشتری در مورد سمیت نانوذرات وجود دارد. بررسی‌های قبلی نشان داده است که برخی از نانوذرات می‌توانند علائمی مشابه با الیاف آزبست ایجاد کنند. و گزارش‌هایی مبنی بر التهاب ریه‌ها وجود دارد.

همچنین برخی تحقیقات بیشتر انجام شده است که به پتانسیل آسیب DNA در طول پیشرفت های سرطانی در مواجهه با نانوذرات اشاره می کند. با این حال، می توان استدلال کرد که سطح تاثیر انسان به نوع نانوذرات، حجم و غلظت بستگی دارد.

با این وجود، به طور کلی، می توان استنباط کرد که نگرانی های مربوط به اثرات بلندمدت نانوذرات در محیط، با تحقیقات بیشتر مورد نیاز است.

در مورد تأثیر طولانی مدت انسان برای ترویج استفاده ایمن از محصولات حاوی نانوذرات، نگرانی مشروعی دارد.

تعاریف نانو ذرات

1-نانوذرات مهندسی شده

نانوذرات مهندسی شده عمداً از طریق فرآیندهای سنتز از پایین به بالا یا از بالا به پایین برای کاربرد در طیف وسیعی از زمینه ها مهندسی می شوند. این فرآیندها در رویکرد متفاوت هستند. به طوری که سنتز از بالا به پایین به تدریج ساختارهای بزرگتر را از نظر اندازه به ابعاد نانومتری کاهش می دهد. در حالی که سنتز از پایین به بالا شامل ساخت نانوذرات با اتم ها یا مولکول های جداگانه تا رسیدن به اندازه هدف است.

رویکرد بالا به پایین اجازه می دهد تا حجم تولید بالاتری داشته باشد. اما به دلیل روش تولید شامل تنش مکانیکی، شوک های شدید و تغییر شکل، محصول نهایی نانوذرات ممکن است فاقد همگنی در اندازه و شکل گیری باشد.

رویکرد از پایین به بالا امکان دقت بیشتر در حالت نانومتری را فراهم می‌کند. و اجازه می‌دهد ساختارهای نانوذرات متعدد، دقت بیشتر در موقعیت‌یابی مولکولی، یکنواختی در اندازه دانه، و همگنی محصول نهایی، البته به قیمت کاهش مقادیر تولید.

طبقه بندی بیشتر ممکن است بر اساس مکانیسم فرآیند سنتز شکل گیری انجام شود. که اکثر نانوذرات مهندسی شده را به سه دسته تقسیم می کند. – فرآیندهای شیمیایی، فرآیندهای مکانیکی و فرآیندهای فیزیکی.

همانطور که قابلیت زنده ماندن نانوذرات طی چندین سال افزایش یافته است، افزایش تقاضا و حجم تولید رخ داده است.

داده های موجود در مورد تولید نانوذرات به ندرت در دسترس است. و شرکت ها تمایلی به ارائه اطلاعات در مورد حجم تولید یا ظرفیت های تولید ندارند. یک عکس از حجم تولید نانوذرات در سال 2012 از طریق ارائه داوطلبانه داده‌ها جمع‌آوری شد. که نشان می‌دهد رایج‌ترین نانوذره تولید شده، دی اکسید تیتانیوم (TiO2) با 10000 تن در سال. با تولید سایر نانوذرات رایج، اکسید سریم (CeO2) است. اکسید آهن (FeOx)، اکسید آلومینیوم (AlOx)، اکسید روی (ZnO) و نانولوله های کربنی (CNT) بین 100 تا 1000 تن در سال.

2- نانو ذرات طبیعی

نانوذرات به طور طبیعی از طریق طیف وسیعی از مکانیسم‌هایی که معمولاً دیده می‌شوند و ایجاد می‌شوند. و می‌توانند طیف وسیعی از اثرات را داشته باشند.

تولیدکنندگان عمده مواد نانو ذرات شامل فوران های آتشفشانی، سطوح بیابانی و گرد و غبار از اجسام کیهانی است. فوران‌های آتشفشانی محصولات فرعی جامد، مایع و گاز تولید می‌کنند. و بخش بزرگی از ذرات معلق در اثر گازهای فراری معلق می‌شوند.

با سرد شدن گاز، ذرات معلق در داخل انباشته شده و رسوب می کنند. بیابان‌ها نانوذرات را روی جرم تولید می‌کنند. به طوری که تخمین زده می‌شود 50 درصد از کل آئروسل‌ها در تروپوسفر از بیابان‌ها سرچشمه می‌گیرند. که شامل انواع مختلفی از مواد است که در توزیع‌های جرمی نشان داده می‌شوند.

علاوه بر این، اشاره شد که مواد سمی، از جمله کادمیوم، جیوه، و هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs) در تجزیه و تحلیل انجام شده در چین و کره جنوبی در طول طوفان گرد و غبار رخ داده است.

نانوذرات همچنین می توانند به طور طبیعی در محصولات غذایی وجود داشته باشند. که نمونه اصلی آن میسل کازئین است. که در شیر پستانداران یافت می شود.

فرآیند تولید شیر شامل توسعه مولکول های کازئین است. در طی این فرآیند، پروتئین کازئین ساختار میسل را در مقیاس نانومتری به خود می گیرد که در شیر به عنوان یک سوسپانسیون کلوئیدی وجود دارد.

نانوذرات همچنین در غذاهایی که حاوی چربی جامد هستند، یافت شده است. و مواد غذایی از جمله شکلات، مارگارین و گوشت خوک دارای پلاکت‌هایی در مقیاس نانو هستند. این پلاکت های نانومقیاس عموماً 200 نانومتر طول، 80 نانومتر عرض و 20 نانومتر ضخامت دارند و به عنوان کوچکترین عناصر ریزساختاری شبکه کریستالی چربی کلوئیدی عمل می کنند [27].

قرار گرفتن در معرض نانوذرات سناریویی نبوده است که منحصراً از مهندسی عمدی مواد در مقیاس نانو یا تولید ناخواسته نانوذرات از طریق روش‌های مختلف، بلکه از طریق منابع غذایی و از داخل جو حاصل شده باشد.

3- نانو ذرات اتفاقی

تولید نانوذرات تصادفی از طریق کانال‌های مختلفی اتفاق می‌افتد. که بلافاصله در زندگی روزمره آشکار نیستند، اما در صورت شناسایی و بررسی می‌توانند آشکار شوند.

نمونه بارز نانوذرات تصادفی که در محیط ساخته شده رخ می‌دهند، آنهایی هستند که توسط خودروها از طریق از بین رفتن مواد تایر، از بین رفتن مواد لنت ترمز، انتشار اگزوز و خراب شدن رنگ تولید می‌شوند.

پرداختن به پتانسیل اثرات منفی بر سلامتی و زیست محیطی ناشی از قرار گرفتن در معرض نانوذرات اتفاقی برای سنجش نتیجه برهمکنش‌های مربوط به نانوذرات که بلافاصله آشکار نیستند، مهم است.

با شناسایی مکانیسم‌های تولید نانوذرات و ریزذرات اتفاقی، می‌توان راه‌حل‌هایی را برای رفع این مشکل پیشنهاد کرد.

برای برجسته کردن نظارتی که ممکن است در مقیاس بزرگتر اتفاق بیفتد، انتشار تایرها را می توان ارزیابی کرد. عموماً فرض بر این است که ذرات ریز ناشی از دود اگزوز و هرگونه انتشار ذرات بزرگتر ناشی از فرسایش لاستیک یا لنت ترمز است. با این حال، دیده شده است که اگزوز و محصولات جانبی مرتبط با اگزوز به طور مساوی در انتشار ذرات 10 میکرومتری (PM10) نقش دارند. و پیش‌بینی می‌شود سهم غیر اگزوز افزایش یابد.

حجم نانو ذرات تصادفی بوجود آمده در استرالیا

حجم نانو و ریز ذرات وارد شده به محیط زیست به دلیل فرسایش وسایل نقلیه موتوری را می توان در استرالیا طی یک سال تخمین زد.

در استرالیا، از 30 ژوئن 2015 تا 30 ژوئن 2016، حدود 18.2 میلیون وسیله نقلیه به ثبت رسید. که مجموعاً 249،512 میلیون کیلومتر را طی کردند. و به طور میانگین 13،719 کیلومتر در هر وسیله نقلیه را طی کردند.

بر اساس نشریه ای که در سال 2014 منتشر شد، کاهش آج در هر 40000 کیلومتر. بر حسب کیلوگرم می تواند از 0.73 کیلوگرم تا 1.21 کیلوگرم متغیر باشد، بسته به نوع تایر و کشور مورد تجزیه و تحلیل .

با استنباط رابطه بین شرایط ایالات متحده و شرایط استرالیا بر اساس تولید کنندگان مشابه و استانداردهای تولید، مقدار فرضی 0.88 کیلوگرم در 40000 کیلومتر یا 0.022 گرم در کیلومتر ممکن است در نظر گرفته شود. در طول یک سال در استرالیا تنها به دلیل فرسایش تایرها، 5489.3 تن لاستیک به عنوان ذرات ریز در هوا و یا باقی ماندن در سطح جاده آزاد می شود.

از 5489.3 تن لاستیک فرسایش یافته در طول سال 2016، تا 10 درصد به صورت ذرات PM10 موجود در هوا یا 549 تن ذرات ریز معلق در هوا رخ می دهد. با توجه به محدودیت‌های موجود در مطالعات قبلی، توزیع دقیق اندازه ذرات (PSD) لاستیک‌ها با برخی از محققان که توزیع اندازه دو وجهی را در ذرات درشت و ریز پیدا کرده‌اند. و سایرین توزیع اندازه تک‌وجهی را فقط در ذرات درشت یافته‌اند، شناسایی نشده است.

با این حال، بخش قابل توجهی از سایش PM10 تایر و ترمز در کسر اندازه ریز قرار دارد . ارقام ارائه شده در بالا تابع طیف وسیعی از عوامل هستند. و یک تغییر چشمگیر در اندازه ذرات و از دست دادن مواد را می توان به شرایط تغییر یافته از جمله حالت رانندگی، سرعت، دما، نوع ماشین و نوع لاستیک نسبت داد.