الیاف نانو چیست؟

الیاف نانو الیاف بسیار ظریفی هستند که قطر آنها معمولاً از چند نانومتر (nm) تا چند صد نانومتر متغیر است. برای در نظر گرفتن این موضوع، یک نانومتر یک میلیاردم متر و عرض یک موی انسان حدود 80000 نانومتر است. فوق العاده کوچک!

نانوالیاف دارای خواص منحصر به فردی هستند که عمدتاً از ابعاد نانو مقیاس آنها به دست می آید. آنها بسیار متنوع هستند و می توان از آنها برای ساخت انواع سازه های سه بعدی با خواص منحصر به فرد استفاده کرد. نانوالیاف دارای سطح قابل توجهی بزرگتر در واحد جرم نسبت به مواد حجیم هستند که آنها را برای کاربردهایی که برهمکنش های سطحی مهم هستند مناسب می کند. آنها همچنین دارای نسبت طول به قطر بالایی هستند که منجر به خواص مکانیکی استثنایی از جمله انعطاف پذیری و استحکام می شود. بسیاری از نانوالیاف و ساختارهای سه بعدی نانوالیاف حاصل از آنها ساختار متخلخلی را نشان می‌دهند که می‌تواند برای کاربردهای خاص، مانند مواد سبک وزن یا کم چگالی، فیلترها، دستگاه‌های پزشکی و داربست‌های بافتی، کنترل و تنظیم شود.

الیاف نانو را می‌توان از طیف گسترده‌ای از مواد، از جمله پلیمرها، سرامیک‌ها، کامپوزیت‌ها و حتی مواد طبیعی مانند پروتئین‌ها و DNA ساخت که آن‌ها را در کاربردهای مختلف بسیار متنوع می‌سازد. الیاف نانو را می توان با استفاده از تکنیک های مختلفی از جمله الکتروریسی، خود مونتاژ، سنتز مبتنی بر الگو، جداسازی فاز و دمیدن مذاب ساخت. الکتروریسی یکی از متداول ترین روش های فناوری نانو در تولید نانومواد به ویژه برای نانوالیاف است. الکتروریسی شامل استفاده از یک میدان الکتریکی برای کشیدن یک محلول پلیمری یا ذوب آن به یک جت نازک است که با رسوب بر روی یک کلکتور به نانوالیاف جامد می‌شود.

تاریخچه الیاف نانو

الیاف نانو یا نانوالیاف یک فناوری نسبتاً جدید و هیجان انگیز است که در حال در هم گسیختگی در صنایع در سراسر جهان است!

این رشته های کوچک مواد با استفاده از تکنیک ها و روش های مختلفی که در طول صدها سال توسعه یافته اند ایجاد می شوند. در حوالی سال 1600، مردی به نام ویلیام گیلبرت مشاهده کرد که سیال وقتی تحت تأثیر میدان الکتریکی حاصل از مالیدن یک تکه کهربایی قرار می گیرد، چگونه رفتار می کند. وقتی کهربا به سیال نزدیک شد، شکلی ایجاد کرد که اکنون به عنوان مخروط تیلور شناخته می شود (شکل 1 را ببینید).

شکل 1: مخروط تیلور، منطقه انتقال، و جت سیال حاصل.

پس از این کشف اولیه، دانشمندان و دانشگاهیان زیادی بودند که پتانسیل کاربردهای آینده را در آن دیدند. در سال 1887، فیزیکدان انگلیسی، چارلز ورنون بویز، دست نوشته ای در مورد توسعه نانوالیاف و چگونگی تولید آن در آینده منتشر کرد. یافته های این محققین، همراه با بسیاری دیگر، احتمالاً به مخترع آمریکایی جان فرانسیس کولی در ثبت اولین اختراع الکتروریسی مدرن در سال 1900 کمک کرد.

اولین تلاش برای ریسندگی نانوالیاف تا سال 1934 توسط Anton Formhals انجام نشد. او بعداً اولین حق اختراع را منتشر کرد که شرح مفصلی از روش آزمایشی تولید نانوالیاف ارائه می کرد. این منجر به اولین پتنت شد که توسط هارولد سایمونز در سال 1966 برای ماشینی واقعی که می‌توانست پارچه‌های با الیاف نانو سبک‌ وزن و نازک‌ تر را در مقیاس بزرگ‌تر تولید کند، ثبت شد. از آن زمان، نانو الیاف به خوبی در جامعه علمی شناخته شده است و به طور مداوم در حال توسعه و بهبود است.

قطر الایف نانو معمولاً حدود 50 تا 500 نانومتر است که بستگی به نوع پلیمر مورد استفاده و مشخصات طرح دارد. برای به دست آوردن چشم انداز، شکل 1 را در سمت راست بررسی کنید. لکه کوچک یک تکه گرده است. رشته بزرگ سمت چپ رشته ای از نانوالیاف نیست، بلکه تکه ای از موی انسان است که قطری در حدود 75000 نانومتر دارد. اگر دقت کنید، می توانید شبکه ای از نانوالیاف را در پس زمینه ببینید. حالا این کوچک است!

مطالعه مقاله زیر نیز به شما پیشنهاد می گردد: آینده جوراب‌ نانو: نوآوری‌ و پیشرفت‌ های جدید

شکل 2: مقایسه اندازه ریزگرد با تار موی انسان. در پس زمینه شبکه الیاف نانو مشاهده می شود.

طیف گسترده ای از پلیمرها و ترکیبات برای ایجاد الیاف نانو مانند پلی اورتان و اسید لاکتیک و همچنین پلیمرهای طبیعی مانند کلاژن، سلولز و ژلاتین استفاده می شود، وجود دارد. این پلیمرها و همچنین بسیاری دیگر، برای بهبود و ایجاد طیف وسیعی از فناوری‌ها از جمله باتری‌ها، سلول‌های سوختی، بافت‌های زیستی احیاکننده و فیلتراسیون سیال بهبود یافته استفاده می‌شوند. اگرچه تشخیص این الیاف با چشم غیرمسلح تقریبا غیرممکن است، اما می‌توانند مقدار زیادی از سطح را نسبت به حجم کلی مواد پوشش دهند.

نانوالیاف چگونه ساخته می شود؟

روش های مختلفی برای ایجاد الیاف نانو مانند سنتز قالب، دمیدن مذاب، خشک کردن انجمادی و جداسازی فاز استفاده می شود. متداول ترین تکنیک مورد استفاده الکتروریسی نام دارد. این فرآیند به یک میدان الکتریکی با ولتاژ بالا با انتهای بار مثبت و منفی، مشابه آهنربا نیاز دارد. پلیمر در یک انتهای میدان در یک اکسترودر بارگذاری می شود و به سرعت بیرون کشیده می شود و تا انتهای بار مخالف کشیده می شود و رشته ای بلند و نازک ایجاد می کند. این منجر به شبکه ای بسیار ظریف از نانوالیاف می شود که برای گردآوری و نگهداری مستقیماً روی یک لایه پایه چرخانده می شود.

شکل 3: الکتروریسی (بالا) و الکترواسپری (پایین) (منبع: https://www.frontiersin.org)

شکل 4 بالا نحوه انجام فرآیند الکتروریسی را نشان می دهد. امولسیون، بارگذاری شده است. هنگامی که از اپلیکاتور خارج می شود، در نتیجه منبع تغذیه ولتاژ بالا که یک میدان الکتریکی بین اپلیکاتور و کلکتور ایجاد می کند، بلافاصله یک مخروط تیلور تشکیل می دهد. با حرکت بیشتر مایع به داخل میدان، ناپایدارتر می شود و به یک جت مارپیچی و پرنده تبدیل می شود. جت سیال سپس بر روی یک تشک از مواد فرود می آید که در این مورد بافته نشده است. سپس شبکه نانوالیاف به همراه سایر لایه‌های مواد یا به تنهایی برای هر آنچه که مشخصات طراحی می‌خواهد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

موارد کاربرد نانوالیاف

نانوالیاف در صنایع و زمینه های مختلف از جمله زیست پزشکی و مراقبت های بهداشتی، اصلاح محیط زیست، نساجی و پوشاک، الکترونیک و انرژی کاربرد پیدا کرده اند. نانوالیاف در مهندسی بافت، سیستم‌های دارورسانی و پانسمان زخم استفاده می‌شوند. آنها در فیلتر هوا و آب، جذب آلاینده ها و حذف آلاینده ها به کار می روند.

منسوجات و لباس ها از نانوالیاف برای افزایش تنفس، مدیریت رطوبت و خواص ضد باکتریایی استفاده می کنند. نانوالیاف دارای خواص منحصر به فردی مانند سطح بالا، تخلخل، استحکام، انعطاف پذیری و رسانایی هستند. از آنها می توان برای افزایش عملکرد پارچه های نساجی مانند افزودن ویژگی های ضد باکتری، ضد آب، ضد شعله یا خود تمیز شوندگی استفاده کرد.

نانوالیاف در مواد منعطف و رسانا و همچنین در حسگرها و قطعات الکترونیکی استفاده می شود. نانوالیاف همچنین در دستگاه های ذخیره انرژی مانند باتری ها و ابرخازن ها و همچنین در مواد فتوولتائیک و سلول های سوختی نقش دارند.

برای دریافت اطلاعات بیشتر مطالعه مقاله زیر پیشنهاد می گردد: جوراب نانو چیست؟

پیشرفت های اخیر در نانوالیاف

چندین پیشرفت اخیر در استفاده از نانوالیاف، به ویژه در کاربردهای پزشکی، دارورسانی، مهندسی بافت، نانوالکترونیک، اکتشافات فضایی، ذخیره انرژی و کاربردهای زیست محیطی صورت گرفته است.

کاربردهای پزشکی

الیاف نانو پیشرفت های چشمگیری در زمینه پزشکی داشته است. محققان پانسمان‌های زخم مبتنی بر نانوالیاف را توسعه داده‌اند که می‌تواند با ایجاد محیطی مناسب برای بازسازی بافت، بهبود زخم را تسریع کند. مطالعه اخیر در مجله “Acta Biomaterialia” (خرازیها و همکاران، 2021) استفاده از نانوالیاف الکتروریسی شده را برای کاربردهای ترمیم زخم مورد بحث قرار می دهد.

تزریق دارو

الیاف نانو به عنوان حاملی برای تحویل کنترل شده دارو مورد بررسی قرار می گیرند. آن‌ها می‌توانند داروها را با سرعت کنترل‌شده آزاد کنند، و انطباق بیمار را بهبود بخشند و عوارض جانبی را کاهش دهند.

اصلاح محیط زیست

نانوالیاف برای مقابله با چالش های زیست محیطی مانند تصفیه آب و فیلتر هوا استفاده می شود. محققان در حال توسعه غشاهای مبتنی بر نانوالیاف هستند که قادر به حذف موثر آلاینده ها هستند. مطالعه ای در “علوم و فناوری محیطی” (Xie et al., 2020) استفاده از غشاهای نانوالیاف الکتروریسی شده برای تصفیه آب را بررسی می کند.

نانو الکترونیک

نانوالیاف در زمینه الکترونیک نویدهای زیادی دارند. از آنها می توان برای ایجاد قطعات الکترونیکی انعطاف پذیر و قابل کشش، از جمله حسگرها و منسوجات رسانا استفاده کرد. این می تواند منجر به نوآوری در فناوری پوشیدنی و رابط انسان و ماشین شود.

مهندسی بافت

انتظار می رود که نانوالیاف نقش مهمی در مهندسی بافت و پزشکی بازساختی ایفا کنند. محققان در حال کار بر روی داربست‌های نانوالیافی هستند که از ماتریکس خارج سلولی تقلید می‌کنند و باعث رشد بافت‌ها و اندام‌های عملکردی می‌شوند.

ذخیره انرژی

نانوالیاف برای کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی، به‌ویژه در توسعه باتری‌های پیشرفته و ابرخازن‌ها در حال بررسی هستند. سطح رویه بالای و تخلخل ، آنها را برای بهبود عملکرد دستگاه های ذخیره انرژی ایده آل می کند.

اکتشافات فضایی

الیاف نانو به دلیل ویژگی های سبک وزن و قوی خود می توانند در اکتشافات فضایی کاربرد داشته باشند. آنها می توانند در توسعه مواد پیشرفته برای فضاپیماها و لباس های فضایی مورد استفاده قرار گیرند و دوام و ایمنی ماموریت های فضایی را افزایش دهند.

نتیجه

به طور خلاصه، حوزه الیاف نانو حول محور ساخت و استفاده از الیاف بسیار کوچک با خواص منحصر به فرد می چرخد. امروزه نانوالیاف طیف وسیعی از کاربردها را دارند و نویدبخش نوآوری‌های فناوری آینده در صنایع مختلف هستند. نانوالیاف نمونه بارز این است که چگونه نانوتکنولوژی دستکاری مواد در مقیاس نانو را برای دستیابی به نتایج جدید و سودمند ممکن می‌سازد.