طراحی مواد هوشمند برای مقابله با آلودگی آب

کد خبر: ۸۳۱۰۳۶

تاریخ: ۱۸ بهمن ۱۴۰۴ - ۱۸:۳۱

محققان دانشگاه تهران و دانشگاه دامغان با بهره‌گیری از نانومواد دوبعدی MXene و ترکیب آن با پلیمرهای مختلف، موفق به ساخت کامپوزیت‌هایی شده‌اند که می‌توانند طیف وسیعی از آلاینده‌ها شامل فلزات سنگین، رنگ‌ها، مواد دارویی و روغن‌ها را از آب جدا کنند.

به گزارش ایران اکونومیست،محققان دانشگاه تهران و دانشگاه دامغان با بهره‌گیری از نانومواد دوبعدی MXene و ترکیب آن با پلیمرهای مختلف، موفق به ساخت کامپوزیت‌هایی شده‌اند که می‌توانند طیف وسیعی از آلاینده‌ها شامل فلزات سنگین، رنگ‌ها، مواد دارویی و روغن‌ها را از آب جدا کنند. نانوذرات MXene با دارا بودن گروه‌های سطحی متعدد و ساختار لایه‌ای، امکان اصلاح شیمیایی و فیزیکی سطح را فراهم می‌کنند و با ترکیب با پلیمرها، استحکام مکانیکی، پایداری و قابلیت‌های کاربردی آن‌ها بهبود می‌یابد. این دستاورد نشان می‌دهد که ترکیب مهندسی نانو و طراحی مواد پلیمری می‌تواند راه‌حل‌های مؤثر، قابل تنظیم و پایدار برای مشکلات پیچیده آلودگی آب ارائه دهد و مسیر توسعه غشاها و فناوری‌های تصفیه پیشرفته را هموار کند.

آب، حیاتی‌ترین منبع زندگی روی زمین، امروز با چالش‌های بی‌سابقه‌ای مواجه است؛ از افزایش جمعیت و مصرف بی‌رویه گرفته تا ورود آلاینده‌های صنعتی و دارویی به منابع آبی. از این رو، پژوهشگران در سراسر جهان به دنبال راهکارهای نوین و پایدار برای تصفیه و بازچرخانی آب هستند. در این میان، مواد دوبعدی مانند MXene که ساختار لایه‌ای و ویژگی‌های شیمیایی منحصربه‌فرد دارند، به عنوان گزینه‌ای امیدوارکننده برای ارتقای فناوری‌های تصفیه آب مطرح شده‌اند.

محققان دانشگاه تهران و دانشگاه دامغان در یک مطالعه جامع، به بررسی کامپوزیت‌های MXene-پلیمری پرداخته‌اند. MXeneها، که از ترانزیشن متال‌های کاربیدی و نیتریدی به دست می‌آیند، دارای گروه‌های سطحی متعدد و فضای لایه‌ای گسترده هستند که امکان اصلاح سطح و ترکیب با پلیمرها را فراهم می‌کند. این نانوذرات درون ماتریکس‌های پلیمری به عنوان تقویت‌کننده عمل کرده و ویژگی‌هایی مانند استحکام مکانیکی، پایداری ساختاری و عملکرد بهتر در حذف آلاینده‌ها را ارتقا می‌دهند.

روش‌های ساخت این کامپوزیت‌ها شامل مخلوط کردن فیزیکی، پلیمریزاسیون درجا و اصلاح سطحی است. در همه این روش‌ها، MXeneها با پلیمرها ترکیب می‌شوند تا شبکه‌ای پایدار و یکنواخت ایجاد شود که عملکرد آن را در تصفیه آب بهینه می‌کند. علاوه بر این، اصلاح سطح MXeneها امکان جلوگیری از تجمع ناخواسته و اکسید شدن سریع را فراهم می‌کند، مشکلی که در استفاده از MXeneها به صورت مستقل مشاهده می‌شود.

کاربردهای این کامپوزیت‌ها در حوزه‌های مختلف آب‌شیرین‌کن، حذف فلزات سنگین، رنگ‌ها، مواد دارویی باقیمانده، مواد آلی طبیعی و جداسازی نفت و آب بررسی شده است. برای مثال، غشاهای مبتنی بر MXene-پلیمر با فضاهای بین‌لایه‌ای وسیع، جریان بالای آب و حذف مؤثر آلاینده‌ها را امکان‌پذیر می‌سازند. همچنین، توانایی ترکیب با پلیمرها باعث می‌شود که این مواد بتوانند در محیط‌های عملیاتی مختلف با شرایط شیمیایی و فیزیکی متفاوت عملکرد قابل اعتماد داشته باشند.

با این حال، همچنان چالش‌هایی در مسیر توسعه این مواد وجود دارد. تولید MXeneها از فاز MAX معمولاً با فرآیندهای اسیدی انجام می‌شود که محدودیت‌های ایمنی و زیست‌محیطی دارند. همچنین، تجمع لایه‌ها، کاهش گروه‌های فعال سطحی در محلول‌های آبی و کاهش جذب امواج الکترومغناطیسی از مشکلات رایج است. پژوهشگران با تمرکز بر ترکیب MXene با پلیمرها توانسته‌اند بسیاری از این محدودیت‌ها را کاهش دهند و عملکرد نهایی کامپوزیت‌ها را بهبود بخشند.

پلیمرها، به عنوان ماتریکس نرم و قابل پردازش، ویژگی‌هایی همچون استحکام بالا، شفافیت، قابلیت اصلاح و مقرون‌به‌صرفه بودن را ارائه می‌دهند. در ترکیب با MXeneها، این پلیمرها به عنوان لنگر نانوذرات عمل می‌کنند و باعث افزایش بهره‌وری آن‌ها در کاربردهای خاص می‌شوند. مطالعات شبیه‌سازی و نظری نیز نشان داده‌اند که گروه‌های سطحی MXeneها قابلیت تعامل بالایی با زنجیره‌های پلیمری دارند و این تعامل باعث تقویت اثرات هم‌افزایی در حذف آلاینده‌ها می‌شود.

در دهه گذشته، توجه به MXeneها و کامپوزیت‌های آن‌ها رشد چشمگیری داشته است. اگرچه این مواد پیش‌تر بیشتر در حوزه‌های الکترونیک، ذخیره‌سازی انرژی و کاربردهای زیست‌پزشکی مورد استفاده قرار گرفته بودند، اما بررسی کاربردهای محیط‌زیستی و تصفیه آب اکنون به یک مسیر نوین و حیاتی تبدیل شده است. پژوهشگران انتظار دارند با بهبود روش‌های تولید و اصلاح سطح، MXene-پلیمرها بتوانند نقش مؤثری در فناوری‌های پاکسازی آب و توسعه پایدار ایفا کنند و آینده‌ای روشن برای تأمین آب سالم فراهم کنند.

این دستاوردها نشان می‌دهد که ترکیب مهندسی نانو و طراحی پلیمری می‌تواند راهکاری مؤثر و انعطاف‌پذیر برای چالش‌های پیچیده تصفیه آب باشد و امکانات جدیدی برای غشاها، جذب آلاینده‌ها و سایر فناوری‌های محیط‌زیستی ارائه دهد.