آیا استفاده از نانو تکنولوژی در بازیافت موثر است؟

به گزارش تجارت امروز؛ نانو تکنولوژی در ابتدا که وارد بازار ایران شد؛ آنچنان حمایت خاصی نشد. اما به مرور زمان با درک بهتر کاربرد این فناوری، بخش زیادی از بازیافت تهران در اختیار نانو تکنولوژی قرار دارد.

نانو تکنولوژی چیست؟

نانو تکنولوژی به شاخه‌ای از علم و مهندسی اطلاق می‌شود که به طراحی، تولید و استفاده از ساختارها، دستگاه‌ها و سیستم‌ها با دستکاری اتم‌ها و مولکول‌ها در مقیاس نانو اختصاص دارد، یعنی داشتن یک یا چند بعد در حد ۱۰۰ نانومتر (۱۰۰ میلیونیم میلی‌متر). و یا کمتر.

در دنیای طبیعی، نمونه‌های بسیاری از سازه‌های با ابعاد یک یا چند نانومتری وجود دارد و بسیاری از فناوری‌ها اتفاقاً سال‌هاست که چنین نانوساختارهایی را درگیر کرده‌اند، اما اخیراً امکان انجام عمدی آن فراهم شده است.

بسیاری از کاربردهای فناوری نانو تکنولوژی شامل مواد جدیدی است که دارای خواص بسیار متفاوت و اثرات جدید در مقایسه با مواد مشابه ساخته شده در اندازه های بزرگتر هستند.

این به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار بالای نانوذرات در مقایسه با ذرات بزرگتر و اثراتی است که در آن مقیاس کوچک ظاهر می شوند اما در مقیاس های بزرگتر مشاهده نمی شوند.

کاربردهای نانوتکنولوژی می تواند بسیار سودمند باشد و پتانسیل تاثیرگذاری قابل توجهی بر جامعه داشته باشد.

نانو تکنولوژی قبلاً توسط بخش‌های صنعتی مانند بخش‌های اطلاعات و ارتباطات مورد استقبال قرار گرفته است، اما در فناوری غذایی، فناوری انرژی و همچنین در برخی از محصولات پزشکی و داروها نیز استفاده می‌شود. نانو مواد همچنین ممکن است فرصت های جدیدی را برای کاهش آلودگی محیط زیست ارائه دهند.

اما این مواد جدید ممکن است خطرات جدیدی برای سلامتی ایجاد کنند. انسان مکانیسم هایی برای محافظت در برابر عوامل محیطی مختلف با اندازه های مختلف ایجاد کرده است.

با این حال، تا همین اواخر، آنها هرگز در معرض نانوذرات مصنوعی و ویژگی های خاص آنها قرار نگرفته بودند. بنابراین مکانیسم‌های دفاعی طبیعی انسان مرتبط ، برای مثال، سیستم‌های ایمنی و التهابی ممکن است نتوانند به اندازه کافی به این نانوذرات پاسخ دهند. علاوه بر این، نانوذرات نیز ممکن است در محیط پراکنده و باقی بمانند و بنابراین بر محیط زیست تأثیر می‌گذارند.

نانو تکنولوژی و کاربردهای آن

این حوزه که به سرعت در حال پیشرفت است، پتانسیل ایجاد انقلابی در صنایع مختلف از جمله انرژی، پزشکی و محاسبات را دارد. کاربردهای نانوتکنولوژی بسیار گسترده است، از تولید و ذخیره انرژی کارآمدتر، بهبود تشخیص و درمان بیماری‌ها، تا ایجاد دستگاه‌های محاسباتی سریع‌تر و قدرتمندتر.

کاربردهای نانو تکنولوژی در انرژی

نانو تکنولوژی این پتانسیل را دارد که صنعت انرژی را با بهبود کارایی تولید، ذخیره و استفاده از انرژی متحول کند. خواص منحصربه‌فرد نانومواد در مقیاس نانو، آنها را به کاندید ایده‌آل برای توسعه فناوری‌های انرژی جدید تبدیل می‌کند.

یکی از نویدبخش ترین حوزه های فناوری نانو در انرژی، توسعه پنل های خورشیدی کارآمدتر است. از فناوری نانو می توان برای بهبود جذب نور خورشید و تبدیل آن انرژی به الکتریسیته استفاده کرد.

به عنوان مثال، افزودن نانوذرات به مواد سلول خورشیدی می تواند مساحت سطح آنها را افزایش دهد و امکان جذب بهتر نور خورشید را فراهم کند. علاوه بر این، از نانومواد می توان برای ایجاد سلول های خورشیدی لایه نازک که انعطاف پذیرتر، سبک وزن و بادوام تر هستند، استفاده کرد.

نانوذرات همچنین می‌توانند به‌عنوان کاتالیزور در سلول‌های سوختی مورد استفاده قرار گیرند که باعث کارآمدتر شدن آن‌ها و کاهش نیاز به مواد گران‌قیمت مانند پلاتین می‌شود.

سلول های سوختی دستگاه هایی هستند که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند و به عنوان جایگزینی برای سوخت های فسیلی سنتی در حال توسعه هستند. کاتالیزورهای نانوذرات می توانند با افزایش سطح سلول های سوختی و کاهش تلفات انرژی در طی فرآیند تبدیل، کارایی پیل های سوختی را بهبود بخشند.

فناوری نانو تکنولوژی همچنین می‌تواند برای ایجاد باتری‌های کارآمدتر و ماندگارتر، که برای توسعه خودروهای الکتریکی و سیستم‌های ذخیره انرژی تجدیدپذیر ضروری هستند، استفاده شود.

به عنوان مثال، استفاده از نانومواد در باتری‌های لیتیوم یونی می‌تواند ظرفیت آن‌ها را افزایش داده و زمان شارژ آن‌ها را کاهش دهد. نانوتکنولوژی همچنین می‌تواند برای تولید مواد شیمیایی جدید باتری‌هایی که پایدارتر، سمی‌تر و چگالی انرژی بالاتری دارند، استفاده شود.

کاربردهای نانو تکنولوژی در پزشکی

نانو تکنولوژی این پتانسیل را دارد که با بهبود تشخیص، درمان و پیشگیری از بیماری ها، عرصه پزشکی را متحول کند. نانوذرات دارای خواص منحصر به فردی در مقیاس نانو هستند که آنها را برای تحویل و تصویربرداری هدفمند دارو ایده آل می کند.

نانوذرات را می‌توان برای هدف قرار دادن سلول‌ها یا بافت‌های خاص مهندسی کرد که باعث بهبود اثربخشی و کاهش عوارض جانبی داروها می‌شود.

سطح نانوذرات را می‌توان به گونه‌ای اصلاح کرد که برای مثال، امکان هدف‌گیری انتخابی سلول‌های سرطانی را فراهم کند و در عین حال آسیب به بافت سالم را به حداقل برساند. همچنین می‌توان از نانوذرات برای انتقال داروها از طریق موانع بیولوژیکی مانند سد خونی مغزی استفاده کرد که نفوذ آن با داروهای معمولی چالش برانگیز است.

علاوه بر دارورسانی، از فناوری نانو نیز می توان برای ایجاد تکنیک های تصویربرداری جدید استفاده کرد که می تواند بیماری ها را در مراحل اولیه تشخیص دهد.

به عنوان مثال، نانوذرات را می توان به عنوان ماده حاجب در تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) برای بهبود تشخیص تومورها و سایر ناهنجاری ها استفاده کرد.

نانوذرات همچنین می توانند برای ایجاد فناوری های تصویربرداری جدید مانند نقاط کوانتومی استفاده شوند که در پاسخ به طول موج های خاصی از نور نور ساطع می کنند و می توانند برای تشخیص بیماری ها در سطح سلولی استفاده شوند.

نانو تکنولوژی همچنین می‌تواند برای تولید مواد جدید برای پروتزها و ایمپلنت‌هایی که زیست‌سازگارتر هستند و عملکرد بهتری دارند، استفاده شود. نانومواد را می توان طوری مهندسی کرد که خواص بافت و استخوان طبیعی را تقلید کند که منجر به ادغام بهتر با بدن و کاهش خطر رد شدن می شود. علاوه بر این، از نانوذرات می توان برای ایجاد پوشش های ضد میکروبی روی دستگاه های پزشکی استفاده کرد و خطر عفونت را کاهش داد.

به طور کلی، فناوری نانو فرصت های هیجان انگیز زیادی را برای بهبود تشخیص، درمان و پیشگیری از بیماری ها ارائه می دهد. کاربردهای بالقوه آن در پزشکی بسیار گسترده است و از تحویل هدفمند دارو گرفته تا فناوری های جدید تصویربرداری تا پروتزها و ایمپلنت های بهبود یافته را شامل می شود. با ادامه تحقیق و توسعه، نانوتکنولوژی نقش مهمی در پیشرفت حوزه پزشکی و بهبود نتایج بیماران ایفا خواهد کرد.

کاربردهای نانو تکنولوژی در محاسبات

نانو تکنولوژی این پتانسیل را دارد که با ایجاد دستگاه‌های سریع‌تر، کارآمدتر و فشرده‌تر، صنعت محاسبات را متحول کند. خواص منحصر به فرد نانومواد در مقیاس نانو، آنها را برای توسعه فناوری های محاسباتی جدید ایده آل می کند.

از ترانزیستورهای نانومقیاس می توان برای ایجاد تراشه های کامپیوتری قدرتمندتر که انرژی کمتری مصرف می کنند، استفاده کرد. استفاده از نانومواد در ترانزیستورها می‌تواند سرعت سوئیچینگ سریع‌تر و اندازه دستگاه‌های کوچک‌تر را فراهم کند که منجر به رایانه‌های کارآمدتر و قدرتمندتر می‌شود.

به عنوان مثال، نانولوله‌های کربنی و گرافن به دلیل خواص الکتریکی برترشان به‌عنوان جایگزین‌های بالقوه برای سیلیکون در تراشه‌های کامپیوتری مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

علاوه بر ترانزیستورها، از فناوری نانو نیز می توان برای ایجاد انواع جدیدی از حافظه ها مانند حافظه های غیر فرار استفاده کرد. حافظه غیرفرار حتی زمانی که برق خاموش است، داده ها را حفظ می کند و این امکان را برای دستگاه های ذخیره سازی سریعتر و کارآمدتر فراهم می کند.

از فناوری نانو می توان برای توسعه مواد و ساختارهای جدید برای حافظه غیرفرار مانند مواد تغییر فاز دهنده و نانوسیم ها استفاده کرد.

 بازیافت نانومواد در کاربردهای صنعتی

این بخش کاربرد بالقوه نانومواد بازیافتی در کاربردهای صنعتی را مورد بحث قرار می‌دهد و فناوری‌های مقیاس‌پذیر برای بازیابی نانومواد از سیستم‌های کامپوزیتی را توضیح می‌دهد. مقررات مربوطه برای مدیریت زباله نیز برای پیروی از استانداردها و کسب مجوز نانومواد بازیافتی شرح داده شده است.

تبدیل زباله های پلاستیکی به گرافن

اولین پیشرفت از کالیفرنیا به دست آمد، جایی که محققان نانوتکنولوژی از دانشگاه رایس با موفقیت یک کشف قبلی به نام «فلش گرافن» را اصلاح کردند.

فرآیند “فلش گرافن” قادر به جذب کربن بود و با گذراندن یک جریان مستقیم الکتریکی ناگهانی و شدید، می‌توانست گرافن ایجاد کند. نتیجه این تغییر یک روش نانوتکنولوژی است که «گرافن توربواستراتتیک با کیفیت بالا» را از زباله‌های پلاستیکی تولید می‌کند.

در کاغذ اصلی که پلاستیک قابل تبدیل است، اما کیفیت گرافن آنطور که باید خوب نبود. اکنون، با استفاده از توالی متفاوتی از پالس‌های الکتریکی، می‌توان تفاوت بزرگی را مشاهده کرد.  همچنین محققان محاسبه کرده اند که این فرآیند از نظر مالی در مقیاس صنعتی قابل استفاده است. در این رو شیگک انگیزه اقتصادی وجود دارد.

به منظور تولید گرافن با کیفیت بالا، از فلاش جریان متناوب متوالی (AC) و جریان مستقیم (DC) استفاده می‌شود. فرآیند گرمایش ژول فلاش (FJH) به هیچ کاتالیزوری نیاز ندارد و برای مخلوط زباله های پلاستیکی (PW) کار می کند، که این فرآیند را برای جابجایی PW دفن زباله مناسب می کند.

انرژی مورد نیاز برای تبدیل PW به گرافن فلش (FG) حدود ۲۳ کیلوژول بر گرم یا برق در هر تن PW است که به طور بالقوه این فرآیند را از نظر اقتصادی برای افزایش مقیاس جذاب می کند.

هر کاری که با کربن انجام دهید، وقتی آن را از زمین از نفت یا گاز یا زغال سنگ خارج کردید، به چرخه دی اکسید کربن می رسد. نکته خوب در مورد گرافن این است که تجزیه بیولوژیکی آن در بسیاری از شرایط بسیار آهسته است، بنابراین در بیشتر موارد برای صدها سال دوباره وارد چرخه کربن نمی شود.

با توجه به کیفیت بالای گرافن تولید شده، پلاستیک زباله می تواند به مواد خام مورد استفاده در هزاران کاربرد مختلف برای استفاده در الکترونیک، فیلترهای غشایی صنایع شیمیایی، کامپوزیت ها، سیستم های دارورسانی، پنل های خورشیدی، سخت افزارهای نظامی و هوافضا و حتی تبدیل شود.

بازیافت فلزات خاکی

با استفاده از مواد آلی به عنوان یک پلتفرم، میکرو و نانوذرات بسیار کاربردی ایجاد شده که می‌توانند به فلزاتی مانند نئودیمیم بچسبند و آن‌ها را از سیال اطراف جدا کنند. از طریق برهمکنش الکترواستاتیک، مواد در مقیاس میکرو و نانو با بار منفی به یون‌های نئودیمیم با بار مثبت متصل می‌شوند و آن‌ها را از هم جدا می‌کنند.

برای آماده سازی، تیم تحقیقات پوست گوجه فرنگی و ذرت را آسیاب کردند و تفاله چوب و کاغذ پنبه را به قطعات کوچک و نازک برش دادند و در آب خیس کردند. سپس، این مواد را به روشی کنترل شده واکنش شیمیایی دادند تا آن‌ها را به سه بخش مجزا از مواد کاربردی تجزیه کنند: ریزمحصولات (میکرومقیاس)، نانوذرات و بیوپلیمرهای محلول، افزودن ریزمحصولات یا نانوذرات به محلول‌های نئودیمیم فرآیند جداسازی را آغاز کرد و در نتیجه نمونه‌های نئودیمیم را جذب کردند.

بازیافت پلاستیک با نانو تکنولوژی

کاتالیست ابداعی آزمایشگاه آمس، قادر به تجزیه و بازیافت پلاستیک‌های پلی‌الفین (Polyolefin)، مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن بوده که به شکل گسترده‌ای در صنایع غذایی و بهداشتی (بطری شیر، ظروف نگهداری غذا، بطری شامپو، انواع اسباب‌بازی و …) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به‌همین دلیل، این روش کمک زیادی به حذف پلاستیک‌های زاید از محیط‌زیست و بازگشت آن‌ها به چرخه‌های تولیدی می‌نماید. کاتالیست‌های مذکور، از نانوذرات سیلیس متخلخل تشکیل‌شده که شامل یک هسته پلاتینی با نقاط فعال می‌باشد.

به‌کمک طراحی خاص استفاده شده در این کاتالیست‌ها، امکان تبدیل زنجیره‌های طولانی‌تر پلیمری به تکه‌های کوچک‌تر یکنواخت فراهم شده که پتانسیل بکارگیری مجدد در محصولات مفیدتر نهایی را خواهند داشت. در نتیجه، از این فرایند می‌توان برای تولید سوخت، حلال‌های شیمیایی و روغن‌های روان‌کننده استفاده نمود.

ونیو هوانگ (Wenyu Huang)، از محققین آزمایشگاه آمس که تخصص ویژه‌ای در توسعه کاتالیست‌های نانویی دارد، در خصوص فناوری مذکور ابزار داشته: «این نوع از فرآیند کاتالیز، پیش از این هرگز بر مبنای مواد معدنی طراحی نشده است.

ما توانستیم نشان دهیم که روند کاتالیزوری، توانایی انجام چندین مرحله تجزیه یکسان بر روی یک مولکول، قبل از آزاد کردن آن را دارد». گفتنی است که مجموعه فعالیت‌های تحقیقاتی صورت گرفته برای توسعه این فناوری، با هدایت آزمایشگاه آمس و مشارکت محققینی از دانشگاه‌های کارولینای جنوبی (University of South Carolina)، کرنل (Cornell University) و نورثوستر (Northwestern University) و همچنین آزمایشگاه ملی آرگون (Argonne National Laboratory) صورت گرفته است.

انتهای مطلب/آ.ع