8 کاربرد نانوتکنولوژی در پلیمر چیست؟
علم نانوتکنولوژی، مهندسی و فناوری است که در مقیاس نانو انجام می‌شود که حدود 1 تا 100 نانومتر است. واژه نانوتکنولوژی اولین بار در سال 1974 توسط دانشمند ژاپنی تانیگوچی برای توصیف پردازش فیلم نیمه‌هادی و آسیاب یونی در مقیاس نانومتری استفاده شد. با این حال، مهندس آمریکایی، Drexter به خاطر رایج کردن اصطلاح زیر اعتبار بیشتری پیدا کرد.
اندکی بعد از انتشار مهم او در سال 1981، شرکت‌های مبتنی بر فناوری نانو فعالیت خود را آغاز کردند. تخمین زده شده است که تا سال 2022، صنعت فناوری نانو تا این حد در سراسر جهان رشد می‌کند و بالغ بر 6 میلیون شغل ایجاد خواهد کرد که بیش از 2 میلیون شغل آن در ایالات متحده خواهد بود. در این مقاله مروری درباره صنعت نانوتکنولوژی و کاربرد نانوتکنولوژی در پلیمر خواهیم داشت.
نانوتکنولوژی چیست؟
نانوتکنولوژی یک حوزه بین‌رشته‌ای است که در آن محققان تلاش می‌کنند ماده را در مقیاس نانو کنترل کنند. این را می‌توان با کوچک کردن تکنیک‌های لیتوگرافی، در نتیجه کوچک کردن الگوها و ایجاد نانو ساختارها به دست آورد. این رویکرد نانوتکنولوژی را فرآیند بالا به پایین نامیده می‌شود، در مقابل نانوتکنولوژی بالا به پایین، نانوتکنولوژِی پایین به بالا است که در آن مولکول‌ها یا ذرات کوچک در ساختارهای دو بعدی یا سه بعدی بزرگ‌تر جمع می‌شوند.
پلیمرها به دلیل اندازه خاص آن‌ها در مقیاس اتمی و ماکروسکوپی، برای پر کردن شکاف بین نانوتکنولوژی روش بالا به پایین و پایین به بالا کاملاً مناسب هستند. علاوه بر این، پلیمرها به دلیل پردازش پذیری آسان، هزینه کم و ویژگی‌های قابل تنظیم، جزء مواد همه کاره برای نانوتکنولوژی هستند و کاربرد نانوتکنولوژی در پلیمر را توجیه می‌کنند.
مزایای کاربرد نانوتکنولوژی در پلیمر
کاربرد نانوتکنولوژی در پلیمر در حال حاضر مواد پلیمری جدیدی را در دسترس قرار می‌دهد که می‌تواند بسیاری از زمینه‌های تولید را متحول کند. به‌عنوان مثال، نانولوله‌ها و نانو ذرات پلیمری که لوله‌ها و ذرات فقط چند اتم هستند و آئروژل ها، موادی که از مواد بسیار سبک و قوی با خواص عایق قابل توجه تشکیل شده‌اند، می‌توانند راه را برای تکنیک‌های جدید و محصولات برتر هموار کنند. علاوه بر این، علم نانو، توانایی تولید نانو ربات‌هایی که تنها چند نانومتر طول دارند را طراحی و تولید کرده و از آن‌ها در صنایع مختلف نظامی، پزشکی و اهداف تحقیقاتی به‌طور خاص استفاده کرد.
مهم‌ترین مزایای ارائه شده کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت پلیمر شامل موارد زیر است:
1- ایجاد رهاسازی کنترل شده در محل مورد نظر
2- ایجاد پایداری برای مولکول‌های ناپایدار (به‌عنوان مثال، پروتئین‌ها)
3- ارائه توانایی برای اصلاح سطوح با لیگاندها برای مخفی‌کاری و اهداف دارورسانی هدفمند
4- افزایش میزان تخلخل و مساحت سطح مؤثر ماکرومتخلخل‌های پلیمری در صنعت تصفیه آب، ذخیره انرژی و کاربرد کاتالیزوری آن
5- افزایش استحکام و خواص مکانیکی مواد پلیمری صنعتی
6- افزایش میزان کاربردی آن در مهندسی بافت جهت ترمیم زخم و بافت‌های عروقی آسیب‌دیده
نانوتکنولوژی ممکن است راه‌هایی را که ما از طریق آن انرژی دریافت می‌کنیم و از آن استفاده می‌کنیم تغییر دهد. به‌طور خاص، این احتمال وجود دارد که نانوتکنولوژی با کاهش هزینه‌های ساخت پنل‌های خورشیدی و تجهیزات مرتبط، انرژی خورشیدی را اقتصادی‌تر کند. در نتیجه دستگاه‌های ذخیره انرژی کارآمدتر خواهند شد. نانوتکنولوژی همچنین روش‌های جدیدی را برای تولید و ذخیره انرژی باز خواهد کرد.
مزیت‌های بالا تنها بخش مهمی از کاربرد نانوتکنولوژی در پلیمر است که به‌طور ملموس در صنعت پلیمر قبال مشاهده بوده و روزبه‌روز اهمیت این علم در صنعت پلیمری بیشتر و بیشتر می‌شود.
کاربردهای نانوتکنولوژی در پلیمر
امروزه کاربرد نانوتکنولوژی در پلیمر ها یک رویکرد مؤثر برای دستیابی به عملکرد پیشرفته و ایجاد ویژگی‌های جدید برای کاربردهای مواد سبک‌وزن است. نانوکامپوزیت‌های پلیمر به دست آمده از مزایای هر دو ماتریس پلیمری و فاز نانو را هم‌زمان با هم استفاده می‌کنند. برای چند دهه گذشته، نانوکامپوزیت پلیمر تبدیل شده یکی از جذاب‌ترین حوزه‌های تحقیقاتی است که توجه ویژه‌ای را به خود داشته و در واقع تلفیقی از هر دو علم و صنعت است. این طرح با استفاده از ویژگی‌های خاص اجزاء، با قصد برنامه‌های کاربردی گسترده مانند ساختارهای سبک‌وزن و کاربردهای انرژی و زیست‌محیطی و زیست پزشکی طراحی شده است.
در زمینه نانوتکنولوژی و کاربرد آن در صنایع پلیمر، می‌توان چنین اشاره کرد که امروزه تمامی موادی که با آن‌ها در زندگی روزمره خود سروکار داریم تمام یا بخشی از آن برگرفته از تکنولوژی نانو بر پایه پلیمرها بوده که می‌توان به کاربرد آن در صنایع کشاورزی، داروسازی، پزشکی، تصفیه آب و بسیاری دیگر از صنایع پرکاربرد دیگر اشاره کرد.
نانوتکنولوژی در صنعت داروسازی
محققان در حال توسعه نانو ذرات سفارشی بر پایه بسترهای پلیمری هستند که می‌توانند مواد مؤثر دارویی را به‌طور مستقیم به سلول‌های بیمار در بدن خود تحویل دهند. دانشمندان با تحقیق و مطالعه فراوان روی نانو مواد دارویی، می‌توانند تا حد زیادی در درمان آسیب‌های ناشی از شیمی‌درمانی را کاهش داده و سلول‌های آسیب‌دیده را بهبود و ترمیم می‌دهد. در حال حاضر بیشتر مطالعات و تحقیقات انجام گرفته در زمینه دارورسانی بر پایه نانوتکنولوژی بوده و هر روز دامنه این تکنولوژی گسترده‌تر می‌شود.
نانوتکنولوژی در صنعت لوازم الکترونیکی
علم نانو درواقع با تکیه بر دانش نانوتکنولوژی صنعت پلیمری میزان کارایی و قابلیت‌های خاص لوازم الکترونیکی را در عین کاهش وزن و میزان مصرف آن‌ها به‌خوبی بهبود و بالا برده است. برخی از نواحی که نانوالکترونیک تحت توسعه قرار گرفته، شامل موضوعات زیر است:
افزایش تراکم تراشه‌های حافظه: محققان یک نوع تراشه حافظه را با تراکم پیش‌بینی شده یک ترابایت حافظه در هر اینچ یا بیشتر در حال توسعه هستند.
کاهش اندازه ترانزیستورهای مورد استفاده در مدارهای مجتمع: یک محقق معتقد است که ممکن است این امکان وجود باشد که “قدرت تمام رایانه‌های امروز را در کف دست خود قرار داده و به‌خوبی از آن‌ها استفاده کرد.
نانوتکنولوژی در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی
فناوری نانو تأثیر زیادی بر جنبه‌های مختلف علوم غذایی دارد، از چگونگی تأثیر غذا در نحوه بسته‌بندی آن با استفاده از نانوتکنولوژی موردبررسی قرار گرفته است. شرکت‌ها در حال توسعه پلیمرهای بر پایه نانو موادی هستند که نه‌تنها در طعم غذا، بلکه در ایمنی مواد غذایی و همچنین مزایای بهداشتی که غذا ارائه می‌دهند، تغییرات ایجاد کند.
نانوتکنولوژی در صنعت سلول‌های سوختی
از نانوتکنولوژی برای کاهش هزینه کاتالیزورهای مورد استفاده در سلول‌های سوختی برای تولید یون هیدروژن از سوخت (متانول) و بهبود کارایی غشاهای مورد استفاده در سلول‌های سوختی جهت جداسازی یون‌های هیدروژن از گازهای دیگر (اکسیژن) استفاده می‌شود.
نانوتکنولوژی در صنعت باتری‌سازی
شرکت‌ها در حال حاضر در حال توسعه باتری‌هایی بر پایه کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت پلیمر هستند. از ویژگی‌های اصلی چنین باتری‌های طول عمر بالا، شارژ سریع و کارایی بسیار خوب در انواع مختلف شرایط آب و هوایی است.
نانوتکنولوژی در صنعت سلول‌های خورشیدی
شرکت‌ها سلول‌های خورشیدی نانوتکنولوژی را توسعه داده‌اند که می‌توانند با هزینه‌ای بسیار کمتر از سلول‌های خورشیدی معمولی تولید شوند. همچنین، میزان کارایی و عملکرد آن‌ها نسبت به نمونه مشابه و معمولی خود بسیار باکیفیت و کارآمد هستند.
نانوتکنولوژی در صنعت ذخیره انرژی
نانوتکنولوژی می‌تواند کمبود سوخت‌های فسیلی مانند گازوئیل و بنزین را با اقتصادی کردن تولید سوخت از مواد اولیه کم‌عیار، افزایش مسافت پیموده شده موتورها و کارآمدتر کردن تولید سوخت از مواد خام معمولی برطرف کند.
نانوتکنولوژی در صنعت ذخیره انرژی
ساخت پارچه کامپوزیت با ذرات یا الیاف پلیمری در اندازه نانو امکان بهبود خواص پارچه را بدون افزایش قابل توجه وزن، ضخامت یا سفتی فراهم می‌کند، همان‌طور که ممکن است در مورد تکنیک‌های قبلی نیز استفاده شده باشد.
نانوتکنولوژی و کاربرد آن در صنایع پلیمر امروزه به‌طور قابل توجهی افزایش داشته، به‌گونه‌ای که علاوه بر صنایع ذکر شده از این فناوری در زمینه تهیه لوازم آرایشی بهداشتی، تهیه سنسورهای شیمیایی، لوازم ورزشی، تصفیه آب، بهبود کیفیت هوا، صنعت خودروسازی، کشاورزی و ساخت تجهیزات فضایی بسیار استفاده می‌شود.