کاربردهای نانوالیاف

۱- مقدمه

نانوالیاف نانو موادی تک‌بعدی هستند که به دلیل خواص منحصر به فرد فیزیکی شیمیایی در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد توجه قرار گرفته‌اند. قطر مقطع عرضی نانوالیاف از ده‌ها تا صدها نانومتر می‌تواند متغیر باشد و به همین دلیل مساحت سطح ویژه و نسبت سطح به حجم بالایی را ایجاد کرده است. نانوالیاف برای ساخت شبکه‌های بسیار متخلخل گزینه مناسبی هستند. از این ساختار می‌توان به عنوان میزبان به منظور کاربردهای متنوعی استفاده کرد. موادی مانند پلیمرهای طبیعی و مصنوعی، مواد کربنی، مواد نیمه رسانا و مواد کامپوزیتی را می‌توان برای سنتز نانوالیاف استفاده کرد.

همزمان با پیشرفت سریع در سنتز و مشخصه‌یابی نانوالیاف در طی چند دهه اخیر، تلاش‌های زیادی بر یافتن پتانسیل‌های نانوالیاف در کاربردهای متنوع صورت گرفته است. این نوع از نانو مواد در زمینه‌های بسیار متنوعی قابلیت استفاده دارند و می‌توانند باعث بهبود عملکرد دستگاه شوند. منابع تولید و ذخیره انرژی، تصفیه آب و محیط زیست، مراقبت‌های بهداشتی و پزشکی، حوزه‌های متنوعی هستند که نانوالیاف می‌توانند بسیار موثر عمل‌کنند.

در این مقاله سعی شده تا کاربردهای اخیر نانوالیاف در صنایع گوناگون بیان شده و در ادامه کاربرد اختصاصی نانوالیاف سلولزی در بسته‌بندی‌های مختلف به عنوان یکی از انواع نانوالیاف طبیعی و دوستدار محیط زیست معرفی شده است.

۲- کاربرد نانوالیاف در تولید و ذخیره انرژی

۱-۲- باتری و سلول‌های سوختی

باتری‌های یون-لیتیومی یکی از فناوری‌های مطرح ذخیره‌سازی انرژی در وسایل الکترونیکی شخصی و قابل حمل است که علی رغم استفاده گسترده این نوع باتری‌ها، همچنان برای ذخیره انرژی در مقیاس بالا با محدودیت ظرفیت و کارآیی مواد آند و کاتد رو به رو هستیم و نیاز به مواد فعال الکتروشیمیایی با ظرفیت و چگالی انرژی بالا، چرخه حیات طولانی‌تر و قیمت پایین‌تر رو به افزایش است. نانوالیاف به دلیل سطح ویژه و تخلخل بالایی که دارند می‌توانند برای ذخیره الکترولیت، آزادسازی و حمل سریع یون در دراز مدت استفاده شوند. از این رو نانوالیاف به عنوان الکترودهایی با پتاسیل بالا برای دستگاه‌های تولید انرژی مانند باتری‌ها و سلول‌های سوختی مورد بررسی قرار گرفته است. به‌طور مثال نانوالیاف کامپوزیتی Si/C برای بهبود چرخه عمر باتری‌های یون‌-لیتیوم و افزایش بازده آن‌ها سنتز شده‌اند. هم‌چنین نانوالیاف کامپوزیتی Si/C/TiO₂ و ZnMn₂O₄ برای افزایش ظرفیت ویژه باتری یون لیتیوم به کار رفته‌اند. به جز باتری‌های یون لیتیومی، باتری‌های لیتیوم سولفور نیز عملکرد الکتروشیمیایی‌شان با نانوالیاف کربن به عنوان الکترود مورد بحث بهبود یافته است[۱].

۲-۲- ابرخازن‌ها

در سال‌های اخیر، ابرخازن‌های حالت جامد و انعطاف‌پذیر برای ذخیره انرژی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. ابرخازن‌ها در مقایسه باتری‌ها سریع‌تر شارژ و دشارژ شده، طول عمر بالاتری داشته و ایمنی بیشتری دارند. کامپوزیت‌های پایه نانوالیاف سلولز ساختمان انعطاف پذیری برای ابرخازن‌ها ایجاد می‌کند. به‌طور مثال هیبرید گرافن نانوالیاف سلولز، ابر خازنی انعطاف‌پذیر است که ظرفیت و توان بالایی دارد[۱].

۳-۲- سلول خورشیدی

اولین بار در سال ۱۹۹۱ اراگان^[۱] و گرتزل^[۲] گزارش کردند سلول خورشیدی حساس شده به رنگ به دلیل بهره‌وری بالاتر، فرآیند تولید ساده‌تر، هزینه کمتر و دوستدار محیط زیست بودن، جایگزین مناسبی برای سلول‌های خورشیدی تک کریستال سیلیسیمی است. نانوالیاف تک‌بعدی به عنوان فوتو الکترود در سلول‌های خورشیدی حساس شده به رنگ کاربرد دارند. این نانوالیاف مسیری کوتاه و مستقیم برای انتقال الکترون فراهم می‌کنند که به خاصیت منحصر به فردی تبدیل شده است. در میان نانوالیاف اکسیدهای فلزی نیمه رسانا، اکسید تیتانیوم با خواص ویژه فوتوالکتروشیمیایی، به عنوان ماده‌ای مناسب برای ساخت الکترود سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ انتخاب شده است. بازده تبدیل انرژی و فعالیت فوتوکاتالیستی فوتوالکترودهای ساخته شده بر پایه نانوالیافTiO₂ می‌تواند با افزودن سایر نانومواد مانند نانوذرات ZnO و CNT به دلیل افزایش سطح ویژه و افزایش بهره‌وری الکترون و جذب نور، بهبود چشمگیری داشته باشد[۱].

۴-۲- تولید و ذخیره هیدروژن

از آنجایی که هیدروژن منبعی پاک برای تولید انرژی است و علی‌رغم داشتن انرژی زیاد، کربن دی‌اکسیدی تولید نمی‌شود، یکی از منابع کارا و اقتصادی برای تولید انرژی است. در طی سال‌های اخیر مواد نانوساختار برای ذخیره هیدروژن مورد بررسی قرار گرفته‌اند. نانوالیاف طول مسیر نفوذ هیدروژن و گونه‌های فعال را کاهش می‌دهد. یکی از نمونه‌های جذاب ذخیره هیدروژن نانوالیاف Li₃N پوشش داده شده با کربن است که با روش الکتروریسی بدون الگو سنتز شده و بسیار متخلل می‌باشد. نفوذ هیدروژن برای واکنش با گونه‌های فعال به دلیل وجود میکرو، مزو و ماکرو حفرات موجود روی دیواره کربنی نانوالیاف تسهیل می‌یابد[۱].

۵-۲- پیزوالکتریک

مواد پیزوالکتریک یکی از منابع مهم انرژی هستند. به‌طور کلی پیزوالکتریک‌ها با به دام انداختن نیروهای کوچک مکانیکی و استفاده از آن‌ها، انرژی تولید می‌کنند. به‌طور مثال نیروهای فشاری، کششی، لرزشی و خمشی محیط توسط مواد پیزوالکتریک به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شوند. برای ساخت چنین دستگاه‌هایی مواد پلیمری با خاصیت پیزوالکتریک پیشنهاد می‌شود. علاوه بر آن، پلیمرها انعطاف پذیری بالایی دارند، در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مقاوم اند، طراحی‌شان ساده‌تر و در نهایت قیمت ارزان‌تری دارند. از آن جایی که پلیمرها با نیروهای کوچک مکانیکی تغییر فرم می‌دهند و هم‌چنین در برابر تغییر شکل‌های شدید به دلیل سطح کرنش بالایشان، مقاومت می‌کنند، موادی بسیار مفید برای ساخت منابع تولید انرژی انعطاف‌پذیر هستند[۱].

از میان پلیمرها، پلیمر پلی‌وینیلیدن‌فلوراید ($\mathrm{PVDF}$^[۳]) و کوپلیمرهای آن عملکرد بسیار خوبی در تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی داشته و بسیار پایدار است. در حقیقت مواد نانو ساختار به ویژه نانوالیاف از نظر ایجاد خاصیت پیزوالکتریک، بسیار کارآمد ظاهر شده‌اند. این نانوالیاف از روش الکترویسی PVDF سنتز شده‌اند. افزودن برخی نانوذرات خاص به نانوالیاف می‌توان باعث بهبود عملکرد خاصیت پیزوالکتریک شد. به‌طور مثال اخیرا در پژوهشی نانوذرات باریم‌تیتانات به نانوالیاف PVDF به قطر ۲۰۰ نانومتر افزوده شدند. سپس خاصیت پیزوالکتریک نانوالیاف که هم‌راستا با یکدیگر قرار گرفتند، اندازه‌گیری شد. ولتاژ خروجی ایجاد شده در این حالت در مقایسه با نانوالیاف خالص، هنگامی که در معرض تغییر شکل یکسانی قرار گرفتند، به‌طور چشمگیری افزایش یافت. هم‌چنین می توان گفت این خاصیت با افزایش درصد نانو ذرات، افزایش می یابد[۱].

۳- کاربرد نانوالیاف در تصفیه آب و پاکسازی محیط زیست

۱-۳- تصفیه آب

نانوالیاف یکی از ایمن‌ترین نانو مواد برای کاربردهای محیط زیستی به ویژه فیلتراسیون می‌باشد. نانوالیاف بلند و طولانی برای تصفیه آب و هوا و جداسازی ذرات معلق در آن بسیار مناسب است. نانوالیاف گزینه مناسبی برای جداسازی یا از بین بردن آلاینده‌های زیرمیکرون از محیط‌های مایع و گازی با استفاده از تکنیک‌های فیزیکی و شیمیایی مختلف به ویژه جذب و الترافیلتراسیون^[۴] هستند. این نانوالیاف باعث افزایش چشمگیر ظرفیت جذب و بازده فیلتراسیون می‌شوند. این نوع ساختار ماده با داشتن نسبت سطح به حجم بالا، سطح ویژه زیاد و تخلخل فراوان باعث آسان شدن فرآیند جداسازی به ویژه زمانی که نیرو محرکه تصفیه واکنش‌های مبتنی بر سطح هستند، می‌شود. اخیرا مطالعات بسیار زیادی مبنی بر پتانسیل بالای نانوالیاف در تصفیه و فیلتراسیون به عنوان ساختار اصلی فیلتر صورت گرفته است[۱].

نانوالیاف سلولزی یکی از انواع رایج نانوالیاف است که در فیلتراسیون نیز کاربرد دارد. نانوالیاف سلولز پوشش داده شده با اکسید‌منگنز برای حذف متیلن‌بلو به عنوان ترکیبی با راندمان بالا برای تجزیه متیلن‌بلو معرفی شده است. هم‌چنین شبکه‌ای از نانوالیاف سلولز عامل‌دار شده با NH₃ برای جذب سریع برخی فلزات سنگین مانند کروم از آب مورد مطالعه قرار گرفته است. برای حذف آرسنیک و کروم از آب نیز می‌توان از نانوالیاف کامپوزیتی پلی‌آنیلین و نانو ذرات آهن استفاده کرد. هم‌چنین نانوالیاف پلی‌بنزیمیدازول (PBI) عملکرد بسیار خوبی در برابر حذف گوگرد از خود نشان داده است[۱].

۲-۳- فرآیند فوتوکاتالیست

دراین فرآیند آلاینده‌های موجود در محیط به کمک مواد فوتوکاتالیستی از بین می‌روند. دی‌اکسید تیتانیوم یکی از مهم‌ترین مواد فوتوکاتالیستی است که علاوه بر فعالیت بسیار مناسب آن، پایداری فوتوشیمیایی بالا و سمیت بسیار کمی دارد. نانوالیاف بلند دی‌اکسید تیتانیوم و نسبت سطح به حجم بالای‌شان باعث افزایش فرآیند فوتوکاتالیستی و راندمان تخریب آلاینده‌هایی مانند رودامین و یا فنل می‌شود. نانوالیاف کامپوزیتی دی‌اکسید تیتانیوم/ دی‌اکسید قلع با تخلخل بالا، عملکرد بهتری در مقایسه با نانوالیاف دی‌اکسید تیتانوم خالص در برابر نور ماورا بنفش از خود نشان می‌دهند. هم‌چنین غشاهای ساخته شده از نانوالیاف پلی آنیلین پوشش داده شده با دی‌اکسید تیتانیوم/ دی‌اکسید قلع به روش الکتروریسی، برای تخریب متیل نارنجی در برابر نور مرئی بسیار مناسب گزارش شده است[۱].

۳-۳- سنسورهای گازی و مواد شیمیایی

در طی سال‌های اخیر، نانوالیاف سنتز شده با نیمه‌رساناهای اکسید فلزی، در تعداد زیادی از کاربردهای سنجش گاز و مواد شیمیایی مثلا بررسی کیفیت هوا، گازهای سمی و آتش‌گیر در فضا، مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. این نانوالیاف قادر به شناسایی گاز با حساسیت بالا و پایداری مناسب هستند. نسبت سطح به حجم بالا و تخلخل فراوان این گونه نانوساختارهای یک‌بعدی، نفوذ و انتقال گونه‌های گازی را افزایش داده و حساسیت تشخیص را بالا می‌برد. برای افزایش حساسیت نانوالیاف و بهبود عملکردشان رویکردهای مختلفی وجود دارد. به‌طور مثال می‌توان با عامل‌دار کردن یا دوپ کردن با نانو ذرات طلا، نقره، پلاتین و یا انواع کاتالیست، باعث افزایش حساسیت سنسور شد. نانوالیاف نیمه‌رسانای پایه اکسید فلزی، غالبا برای سنجش گازها مناسب‌اند. نانوالیاف GaN توانایی تشخیص گاز اتانول را دارند که علاوه بر دقت، سرعت بالایی نیز در تشخیص دارند. نانوالیاف پلیمری کیتوسان/پلی آنیلین تهیه شده از روش پلیمریزاسیون درجا، برای تشخیص الکل‌ها و آمین‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند[۱].

۴- کاربرد نانوالیاف در مهندسی پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی

  ۱-۴- مهندسی بافت و پزشکی نوین

مهندسان بافت و پزشکی در حال جستجو برای تولید یک بافت ساده برای اعضای بدن هستند که از سه قسمت اصلی سلول، مولکول‌های زیستی و مواد زیستی تشکیل شده است. با استفاده از نانوالیاف می‌توان داربست‌هایی ساخت که جایگزین مناسبی برای بافت‌های مختلف بدن باشد. این گونه داربست‌های نانو متخلخل مکان‌هایی برای رشد، تکثیر و تفکیک سلول‌ها در اختیارمان قرار می‌دهد. به‌طور مثال نانوالیاف کیتین سنتز شده برای تهیه ساختار های سلولی و زیست تخریب‌پذیر مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نانوالیاف کامپوزیتی ژلاتین/$\mathrm{CNT}$^[۵] سنتز شده به روش الکتروریسی به عنوان داربست‌هایی برای رشد میوبلاست^[۶]، به کار رفته است[۱].

شکل۱- الف: داربست ساخته شده با نانوالیاف هیبریدی پلی‌کربنات-گرافن اکساید ب) سلول‌های رشد یافته بر روی داربست[۱].

۲-۴- درمان و دارو رسانی

نانوالیاف و یا داربست‌های آن‌ها ساختاری جذاب برای قرار گرفتن دارو و انتقال آن به هدف هستند. سطح ویژه و تخلخل بالا در شبکه‌ی نانوالیاف برای در برگرفتن دارو و برهمکنش فعال با سلول‌ها بسیار مناسب بوده و باعث جلب توجه دانشمندان برای به کارگیری نانوالیاف در درمان بیماری‌ها شده است[۱].

یکی از آخرین نمونه‌های ساخته شده از نانوالیاف در دارورسانی، برای رساندن پپتیدهای درمانی به مغز و عبور از سد خونی آن مورد استفاده قرارگرفت. بدین منظور نانوالیاف پپتیدی به روش خودآرایی پپتیدهای آمفیفیلیک سنتز شدند، به صورتی که پپتیدهای فعال اطراف هسته نانوالیاف را در برگرفته است. آرایش خاص نانوالیاف مانع از تجزیه آن می‌شود، هم‌چنین طبیعت آمفیفیلیک پپتید باعث می‌شود تا راحت‌تر از سد بین خون و مغز عبور کند[۱].

۳-۴- سنجش بیولوژیکی

همانند تشخیص گونه‌های شیمیایی، می‌توان از نانوالیاف به دلیل خواص ویژه‌شان در تشخیص گونه‌های زیستی و بایو‌مولکول‌ها استفاده کرد. نانوالیاف فعالیت الکتروکاتالیستی بسیار خوبی داشته و الکترون‌ها به سرعت می‌توانند منتقل شوند و باعث افزایش نفوذ گونه‌های کاهشی شوند. به کارگیری نانوالیاف در تشخیص‌های بیولوژیکی، برای گونه‌های خاص قابل انجام است و از سرعت و دقت بالایی برخوردار می‌باشد. به‌طور مثال نانوالیاف دی‌اکسید تیتانیوم سنتز شده به روش الکتروریسی برای تشخیص کلسترول به کار رفته است[۱].

۵- نانوالیاف سلولزی($\mathrm{CNF}$^[۷])

نانوالیاف سلولز مولکول‌هایی دراز و انعطاف‌پذیر هستند که قطر زیر ۱۰۰نانومتر و طول چند میکرونی دارند و شامل بخش‌های کریستالی و آمورف هستند. این نانوالیاف معمولا از روش‌های مکانیکی با اعمال فشار و نیروی برشی بر سلولز تهیه می‌شوند که نیاز به انرژی زیادی (در حدود ۳۰۰۰۰ کیلووات ساعت بر تن) دارد. این نانوالیاف آب‌دوست هستند و سوسپانسیون آن در آب شبکه سه‌بعدی و ژل مانندی ایجاد می‌کند[۲].

شکل ۲- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نانوالیاف سلولز[۲].

۶- کاربرد نانوالیاف سلولز در انواع بسته‌بندی

امروزه بسته‌بندى‌هايي كه دركاربردهاي غذايي، پزشكى و داروسازى استفاده مي‌شود غیر قابل تجزیه هستند و با باقی‌ماندن در محیط، باعث افزايش آلودگى‌های محیط زیستی مي‌شوند. در چند دهه اخیر تحقيقات فراوانى بر استفاده از موادی طبیعی و تجزیه‌پذیر جهت توسعه صنعت بسته‌بندى صورت گرفته است. در صنعت بسته‌بندى تلاش بر اين است كه ماده علاوه بر داشتن خواص لازم و قابلیت شکل‌پذیری، توجیه اقتصادی و محیط زیستی نیز داشته باشد. نانوالیاف زیست تخریب‌پذیر سلولز، از عبور گاز جلوگیری کرده و سمیتی برای مواد غذایی ندارند. هم‌چنین قیمت ارزان آن باعث شده تا به گزینه بسیار مناسبی برای کاربردهای متنوع بسته‌بندی تبدیل شود[۳].

الیاف سلولزی از گذشته برای بسته‌بندی انواع مختلفی از مواد غذایی خشک، یخ زده، مایع و یا تازه، استفاده شده است. اولین موضوع مهم در بسته‌بندی مواد غذایی، محافظت و نگهداری آن برای حفظ کیفیت و کاهش دور ریز مواد غذایی است. انواع مختلفی از سلولز مانند کربوکسی‌متیل‌سلولز، متیل‌سلولز، اتیل‌سلولز، هیدروکسی‌پروپیل‌سلولز، هیدروکسیل‌سلولز و سلولز‌استات در فرایند آماده‌سازی فیلم‌های سلولزی استفاده می‌شود. ساخت بسته‌بندی با الیاف سلولز خواصی همچون الاستیسیته و استحکام و خلوص بالا را فراهم می‌کند که بتواند در تماس مستقیم با مواد غذایی قرار بگیرد. در نتیجه می‌توان سطح آن را برای حفاظت از مواد غذایی در برابر نور، تخلخل، باکتری‌ها و شرایط بد آب و هوایی پوشش داد[۳].

نوع دیگری از بسته‌بندی‌های سلولزی برای محصولات پزشکی و دارویی به کار می‌رود. در طی سال‌های اخیر بازار بسته‌بندی مواد دارویی با توجه به روند زندگی شخصی افراد، افزایش بیماری‌های عفونی و ازدیاد آلودگی‌ها در حال افزایش می‌باشد. بسته‌بندی مواد دارویی یک راه‌حل مناسب برای حفظ کیفیت، انتقال اطلاعات دارویی و امنیت دارویی می‌باشد. انواع بسته‌بندی‌های دارویی باید ضمن حفاظت فیزیکی از دارو، قبل از استفاده سالم بماند و باز نشود[۳].

مهم‌ترین و شاخص‌ترین موضوع بسته‌بندی می‌تواند زیست تخریب‌پذیر بودن آن باشد که از نظر اقتصادی جایگزین مناسبی برای مواد پلاستیکی نفتی است و هم‌چنین باعث کاهش آلودگی‌های زیست محیطی می‌شود. به‌طور کلی بسته‌بندی بر پایه پلیمرهای زیستی به‌طور نسبی خواص مکانیکی ضعیف‌تری به نسبت مواد تجدید ناپذیر دارد که خود باعث کاهش استفاده آن در صنعت می‌شود. برای رفع این معضل ساخت نانوکامپوزیت‌های پایه پلیمر طبیعی حاوی نانو مواد پیشنهاد می‌شود. امروزه نانو فناوری در کاربرد بسته‌بندی پیشرفت چشمگیری داشته است و هدف اصلی آن کامل کردن چرخه حیات بسته‌بندی (انتخاب نوع ماده غذایی، تولید، آنالیز واکنش آن با ماده غذایی، استفاده از آن و دسترسی راحت به آن) و هم‌چنین ایجاد تعادل بین هزینه، کارایی و تاثیر آن بر سلامتی و محیط زیست می‌باشد[۳].

۷- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

نانوالیاف رشته‌هایی نانومتری هستند که قطرشان کمتر از یک میکرون و طولی چند میکرونی دارند. این نانو مواد  تک‌بعدی به دلیل نسبت طول به قطر بالا و سطح ویژه بسیار زیاد خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه‌ای از خود بروز می‌دهند که منجر به ایجاد کاربردهای بسیار زیاد و متنوعی در صنایع مختلف می‌شود. در این مقاله به جدیدترین کاربردهای نانوالیاف در زمینه‌های گوناگون اشاره شد. هم‌چنین به اهمیت نانوالیاف طبیعی و خاصیت زیست تخریب‌پذیری‌شان مانند سلولز پرداخته شد و کاربرد آن در صنعت بسته‌بندی به‌طور مختصر معرفی شد.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۸- منابع

[1]. Lim, Chwee Teck. "Nanofiber technology: current status and emerging developments." Progress in Polymer Science 70 (2017): 1-17.

[2]. Abitbol, Tiffany, et al. "Nanocellulose, a tiny fiber with huge applications." Current opinion in biotechnology 39 (2016): 76-88.

[3]. Khalil, HPS Abdul, et al. "A review on nanocellulosicfibres as new material for sustainable packaging: Process and applications." Renewable and Sustainable Energy Reviews 64 (2016): 823-836.

۹- پاورقی‌ها

[1]O’Reagan

[2]Gratzel

[3] poly vinylidene fluoride

[4]Ultra filtration

[5]Carbon Nano Tube

[6]Myoblast

[7] Cellulose Nano fiber