ابداع نانوفیبر غیر سمی و سازگار با محیط زیست

مهندسان دانشگاه "آمهرست" ماساچوست آمریکا موفق به تولید نانوفیبری (نانو الیاف) شدند که کاملا با محیط زیست سازگار و غیر سمی است و کاربردهای وسیعی خواهد داشت.

کد خبر: ۱۸۰۳۸۶

تاریخ: ۰۱ آبان ۱۳۹۶ - ۰۸:۴۸

به گزارش ایران اکونومیست به نقل از یو مس، مهندسین شیمی دانشگاه "آمهرست" ماساچوست به نام‌های "جسیکا شیفمن" و "سارا پری" نانو الیاف سازگار با محیط زیست و غیر سمی ساختند که کاربردهای وسیعی در زمینه‌های پزشکی، بهداشت و سلامت، محیط زیست و بسته بندی مواد غذایی خواهد داشت.

این تحقیق با کمک سه ساله و 338 هزار دلاری بنیاد ملی علوم آمریکا انجام گرفت. این بنیاد از تحقیقات بنیادی برای توسعه و استفاده از این مواد پارچه جدید نانوفیبری سازگار با محیط زیست حمایت می‌کند.

"شیفمن" و "پری" می‌گویند" رمز موفقیتشان نگاه متفاوت به پلیمرها است. در حالی که روش‌های سنتی ساخت الیاف مبتنی بر پلیمر نیاز به استفاده از حلال‌های آلی سمی دارد، این روش جدید از پلیمرهایی استفاده می‌کند که برای ساخت الیاف از محلول آب و نمک استفاده می‌کنند.

الیاف حاصل از آن بسیار پایدار هستند، حتی اگر در معرض دمای بالا باشند و یا در حلال‌های آلی غوطه‌ور شوند.

روش موجود برای ساخت نانوفیبرها بر اساس یک فرایند شناخته شده به عنوان "الکترواسپینینگ" صورت می‌گیرد؛ جایی که یک نیروی الکتریکی برای رسم کردن یا کشیدن رشته‌های پلیمری از الیاف جامد با مقیاس نانو استفاده می‌شود تا پارچه‌ای نرم و انعطاف پذیر را تشکیل دهند. این روش معروف در تشکیل الیاف از بیش از 100 پلیمر مختلف به کار گرفته شده است.

با این حال، استفاده از چنین پارچه‌های نانوفیبری به دلیل حاوی حلال‌های سمی بودن و یا مواد شیمیایی در محصول نهایی به شدت محدود است.

"پری" و "شیفمن" می‌گویند با استفاده از این روش جدید غیر سمی و سازگار با محیط زیست، به طور گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه آن استفاده می‌کنند و آنها را گسترش می‌دهند.

"شیفمن" می‌گوید: این یک تغییر بنیادی است. "پری" اضافه می‌کند: روش جدید ایجاد نانو، زمینه‌های کاملا جدیدی در تحقیق و برنامه‌های کاربردی نانوفیبرها باز می‌کند.

استفاده‌های جدید برای مواد بافتی کاغذگونه می‌تواند پیشرفت فناوری‌های بهبود زخم را در پی داشته باشد، چرا که الیاف می‌توانند به طور همزمان دارو رسانی و عفونت زدایی را انجام دهند.

"پری" و "شیفمن" می‌گویند که آنها همچنین می‌توانند برای تصفیه آب و در صنایع غذایی مورد استفاده قرار بگیرند تا زمانی که غذا خراب شده یا دارای باکتری‌های مضر یا سایر تهدیدات بهداشتی باشند را تشخیص دهند.

استفاده‌های دیگر ممکن است شامل تمیز کردن مواد شیمیایی، تهیه زیست‌کش دفع آفات، دستمال مرطوب صورت و بسته بندی مواد غذایی باشد.

به‌طورکلی الیاف به سه دسته الیاف معمولی، الیاف میکرونی و نانوالیاف طبقه‌بندی می⁪‌شوند. طبق تعریف، الیاف دسته‌⁪ای از مواد هستند که به‌صورت فیلامنت‌های مداوم بوده یا در طول‌⁪های مشخصی بریده شده‌⁪اند.

خاصیت اصلی الیاف نسبت طول به قطر بسیار بالا است. الیاف میکرونی الیافی هستند که در آنها رشته‌⁪ها کمتر از یک دنیر است. در حقیقت دنیر واحد اندازه‌گیری دانسیته جرمی الیاف است که به‌صورت جرم در واحد گرم بر 9000 متر تعریف می‌⁪شود.

الیاف با قطر کمتر از یک میکرومتر را نانوالیاف می‌⁪نامند. این الیاف با طول‌های نسبتا کوتاه چند میکرونی و با قطر کمتر از 500 نانومتر مانند نانو سیم‌ها از انواع ساختارهای تک بعدی هستند.

به طور کلی چندین روش برای تولید نانوالیاف وجود دارد که برخی از آنها شامل روش کشش، جداسازی الیاف چندجزئی، روش قالب، دمش، جدایش فازی، خودآرایی ماکرومولکول‌⁪ها، الکتروریسی و غیره است.

ریسندگی الکتریکی (الکتروریسی)، روشی برای تولید الیاف پلیمری با قطر زیر نانومتری است که ایده آن اولین بار توسط "زلنی" مطرح شد. در این روش هم از محلول مذاب و هم محلول پلیمری می‌توان استفاده کرد.

در این میان نتایج تحقیقات صورت گرفته توسط محققان فعال در حوزه فناوری تولید نانوالیاف، حاکی از برتری فرایند الکتروریسی نسبت به سایر روش‌⁪ها است.

فرایند الکتروریسی از لحاظ سرعت تولید، تنوع، پیوستگی، سادگی، هزینه و تجاری‌سازی بر سایر روش‌⁪ها ارجح‌تر است.

تاکنون بیش از 100 نوع ماده پلیمری، کوپلیمری و مواد کامپوزیتی توسط این فرایند با موفقیت به نانوالیاف تبدیل شده‌است.

قطر الیاف نانو به پارامترهای مختلفی مانند غلظت پلیمر، ولتاژ الکتریکی اعمال شده، فاصله، دما، رطوبت محیط، ویسکوزیته، قطر سوزن و نوع جمع‌کننده بستگی دارد.

لایه‌⁪ای که توسط نانوالیاف تولید می‌⁪شود دارای خواص متمایز نسبت به سایر بی‌بافت‌ها است، زیرا با کمترین جرم بیشترین میزان لایه و سطح تولید می⁪‌شود، به طوری که تنها با یک گرم پلیمر می⁪‌توان 32 هزار کیلومتر الیاف 100 نانومتری تولید کرد.

بنابراین به‌راحتی می‌⁪توان به اهمیت استفاده از نانوالیاف در کاربردهایی نظیر فیلتراسیون، لباس‌⁪های محافظ، غشاها، پایه‌های کاتالیست و نیز داربست‌⁪های مهندسی بافت پی⁪ برد.

نانو الیاف معدنی در زیست فیلتراسیون برای آلودگی زدایی به کار می‌رود. علاوه بر این از آنجایی که در فرایندهای الکتروریسی امکان اضافه کردن بسیاری از مواد به محلول الکتروریسی وجود دارد، بنابراین می⁪‌توان انواع نانوالیاف عامل‌دار را جهت کاربردهای ویژه طراحی کرد.

با تغییر شرایط عملیاتی یا فرایندی و نیز افزودن برخی تجهیزات به سامانه‌های الکتروریسی می‌⁪توان انواع نانوالیاف را تولید کرد که در این زمینه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

نانوالیاف آرایش یافته
نانوالیاف بافته شده
نانوالیاف هیبریدی، دو یا چند جزئی
نانوالیاف هسته-پوسته
نانوالیاف سرامیکی
نانوالیاف توخالی
نانوالیاف نواری شکل
نانوالیاف متشکل از دانه‌های تسبیح
نانوالیاف متخلخل

امروزه نانوالیاف به‌ عنوان یکی از مهمترین محصولات فناوری نانو در بسیاری از حوزه‌⁪ها به‌ویژه در حوزه‌های پزشکی، دارویی و بهداشتی (مهندسی بافت، ماسک‌ها، فیلترهای پزشکی، پوشش‌های زخم، سامانه‌های کنترل شده رهش و غیره)، صنعتی شامل صنایع دفاعی و امنیتی، صنایع جداسازی و فیلتراسیون، صنایع شیمیایی، صنایع رنگ و پوشش، صنایع نساجی، صنایع نفت و گاز و پتروشیمی، صنایع هوافضا، صنایع خودروسازی، صنایع ساختمان، صنایع غذایی، فناوری اطلاعات و ارتباطات، تولید و ذخیره‌سازی انرژی و نیز بهینه‌سازی مصرف انرژی (پیل‌های خورشیدی، پیل‌های سوختی، باتری‌های پلیمری و غیره)، صنایع نانوکامپوزیت و نانوالیاف کربن، انواع حسگرهای زیستی و شیمیایی، حوزه‌های مرتبط با زیست‌فناوری، محیط زیست، کشاورزی و غیره کاربردهای زیادی پیدا کرده‌⁪اند.