الیاف نانو و نحوه ساخت آن
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 80.000 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، دستگاه های پزشکی و داربست های بافتی، کنترل و تنظیم شود.
الیاف نانو را می توان از طیف گسترده‌ای از مواد، از جمله پلیمرها، سرامیک ها، کامپوزیت ها و حتی مواد طبیعی مانند پروتئین ها و DNA ساخت که آن ها را در کاربردهای مختلف بسیار متنوع می سازد. 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 آنتون فورمهالز 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 می توانست پارچه های 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 الیاف 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 2 را در سمت راست بررسی کنید. لکه کوچک یک ریزگرد 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!
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.
نحوه ساخت نانوالیاف
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.
مزایای استفاده از نانوالیاف
نانوالیاف به دلیل ساختار منحصر به فرد و ابعاد بسیار کوچک خود، خواص و ویژگی هایی را ارائه می دهند که در مقیاس بزرگ تر قابل دستیابی نیست. این ویژگی ها باعث شده است که نانوالیاف در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای پیدا کنند. در ادامه به برخی از مهم ترین مزایای استفاده از نانوالیاف اشاره می شود:
1. نسبت سطح به حجم بالا:
یکی از برجسته ترین مزایای نانوالیاف، داشتن نسبت سطح به حجم بسیار بالا است. این بدان معناست که در مقایسه با مواد با ابعاد بزرگ تر، نانوالیاف سطح تماس بسیار بیشتری با محیط اطراف خود دارند. این ویژگی منجر به افزایش فعالیت سطحی و در نتیجه بهبود خواصی مانند کاتالیستی، جذب و جداسازی می شود. به عنوان مثال، در فیلترها، سطح تماس بالای نانوالیاف باعث می شود تا ذرات بسیار ریز را به طور موثر جذب کرده و از عبور آن ها جلوگیری کنند.
2. تخلخل بالا:
تخلخل بالای نانوالیاف، یعنی وجود حفره های بسیار ریز در ساختار آن ها، یکی دیگر از ویژگی های مهم آن ها است. این تخلخل باعث می شود که نانوالیاف قابلیت جذب بسیار بالایی داشته باشند و بتوانند مواد مختلف را در خود نگه دارند. همچنین، تخلخل بالا به نانوالیاف اجازه می دهد تا به عنوان فیلتر عمل کرده و مواد ناخالص را از یک محیط جدا کنند. به عنوان مثال، در تصفیه آب، نانوالیاف می توانند آلاینده های بسیار ریز را به دام انداخته و آب را تصفیه کنند.
3. استحکام مکانیکی بالا:
با وجود قطر بسیار کم، نانوالیاف استحکام مکانیکی بسیار بالایی دارند. این ویژگی باعث می شود که نانوالیاف در ساخت مواد کامپوزیتی و تقویت مواد دیگر مورد استفاده قرار گیرند. به عنوان مثال، اضافه کردن نانوالیاف به پلیمرها باعث افزایش استحکام و مقاومت آن ها در برابر ضربه و سایش می شود.
4. انعطاف‌پذیری بالا:
نانوالیاف بسیار انعطاف پذیر هستند و می توان آنها را به اشکال مختلف درآورد. این ویژگی باعث می شود که نانوالیاف در ساخت محصولات با شکل‌های پیچیده و ظریف کاربرد داشته باشند. به عنوان مثال، می توان از نانوالیاف برای ساخت الیاف نساجی با خواص خاص مانند ضد آب بودن یا ضد لک بودن استفاده کرد.
5. خواص الکتریکی و حرارتی منحصر به فرد:
خواص الکتریکی و حرارتی نانوالیاف به نوع ماده تشکیل دهنده آن ها بستگی دارد. برخی از نانوالیاف رسانای خوب برق هستند و در ساخت حسگرها و سلول های خورشیدی کاربرد دارند. برخی دیگر عایق حرارتی هستند و می توان از آنها در عایق کاری استفاده کرد.
6. قابلیت عملکرد در مقیاس نانو:
یکی از مهم ترین مزایای نانوالیاف، قابلیت عملکرد آنها در مقیاس نانو است. این ویژگی باعث می شود که نانوالیاف بتوانند خواص جدیدی را در مواد ایجاد کنند یا خواص موجود را بهبود بخشند. به عنوان مثال، با تغییر در ابعاد و ترکیب شیمیایی نانوالیاف، می توان خواص کاتالیستی، نوری و مغناطیسی آن ها را تنظیم کرد.
7. زیست سازگاری:
برخی از انواع نانوالیاف با بدن سازگار هستند و در پزشکی کاربردهای فراوانی دارند. به عنوان مثال، از نانوالیاف زیست سازگار می توان برای ساخت داربست های مهندسی بافت استفاده کرد. این داربست ها به سلول‌ها کمک می کنند تا رشد کرده و بافت های آسیب دیده را ترمیم کنند.
انواع نانوالیاف
تنوع مواد تشکیل دهنده و روش های تولید، منجر به ایجاد انواع مختلفی از نانوالیاف شده است:
طبقه بندی بر اساس ماده تشکیل دهنده
نانوالیاف پلیمری: رایج‌ترین نوع نانوالیاف هستند و از پلیمرهای طبیعی یا مصنوعی ساخته می‌شوند. این نانوالیاف به دلیل انعطاف‌پذیری و زیست سازگاری، در صنایع نساجی، پزشکی و بسته‌بندی کاربرد گسترده‌ای دارند.
نانوالیاف فلزی: از فلزات مختلفی مانند طلا، نقره و مس ساخته می‌شوند. این نانوالیاف به دلیل خواص الکتریکی و حرارتی منحصر به فرد، در الکترونیک، حسگرها و کاتالیست‌ها کاربرد دارند.
نانوالیاف سرامیکی: از مواد سرامیکی مانند آلومینا و سیلیکا ساخته می‌شوند. این نانوالیاف به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و خوردگی، در صنایع هوافضا، خودروسازی و پزشکی کاربرد دارند.
نانوالیاف کربنی: از کربن خالص ساخته می‌شوند. این نانوالیاف به دلیل استحکام بالا، رسانایی خوب و وزن سبک، در صنایع هوافضا، باتری‌ها و کامپوزیت‌ها کاربرد دارند.
طبقه بندی بر اساس ساختار
نانوالیاف توخالی: این نانوالیاف دارای یک حفره مرکزی هستند و به دلیل سطح ویژه بالا، در جذب و جداسازی مواد کاربرد دارند.
نانوالیاف هسته-پوسته: این نانوالیاف از دو یا چند لایه با خواص مختلف تشکیل شده‌اند و به دلیل خواص ترکیبی، در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نانوالیاف کامپوزیتی: این نانوالیاف از ترکیب دو یا چند ماده مختلف ساخته می‌شوند و به دلیل خواص بهبود یافته، در صنایع مختلفی کاربرد دارند.
موارد کاربرد نانوالیاف
نانوالیاف به دلیل خواص منحصر به فردی مانند نسبت سطح به حجم بالا، تخلخل زیاد، استحکام مکانیکی بالا و انعطاف پذیری، در طیف وسیعی از صنایع کاربرد دارند. در ادامه به برخی از مهم ترین کاربردهای نانوالیاف اشاره می کنیم:
صنعت نساجی
نانوالیاف به دلیل داشتن سطح ویژه بالا و تخلخل زیاد، می توانند به پارچه ها خواص جدیدی ببخشند. این خواص شامل ضد آب بودن، ضد لک بودن، ضد باکتری بودن، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش و قابلیت تنظیم دما می شود. به عنوان مثال، می توان نانوالیاف را به پارچه های ورزشی اضافه کرد تا رطوبت را به سرعت جذب کرده و بدن ورزشکار را خشک نگه دارند. همچنین، می توان از نانوالیاف برای تولید لباس های محافظتی در برابر عوامل شیمیایی و بیولوژیکی استفاده کرد.
صنعت پزشکی
در حوزه پزشکی، نانوالیاف به عنوان داربست برای رشد سلول ها و بافت های جدید مورد استفاده قرار می گیرند. این داربست ها می توانند به ترمیم بافت های آسیب دیده، مانند پوست، استخوان و غضروف، کمک کنند. همچنین، نانوالیاف می توانند برای تولید دارورسانی هدفمند استفاده شوند. با بارگذاری دارو بر روی نانوالیاف، می‌توان دارو را به طور مستقیم به سلول های بیمار رساند و اثرات جانبی دارو را کاهش داد. علاوه بر این، نانوالیاف در ساخت پانسمان های زخم با خواص ضد باکتری و تسریع کننده بهبود زخم نیز کاربرد دارند.
صنعت فیلتراسیون
نانوالیاف به دلیل داشتن تخلخل بالا، می توانند به عنوان فیلترهای بسیار کارآمد برای تصفیه هوا و آب استفاده شوند. این فیلترها قادر به حذف ذرات بسیار ریز، مانند گرد و غبار، دوده و باکتری ها، از هوا و آب هستند. همچنین، نانوالیاف می توانند برای تصفیه پساب های صنعتی و حذف آلاینده های شیمیایی استفاده شوند.
صنعت انرژی
نانوالیاف در صنعت انرژی نیز کاربردهای متنوعی دارند. به عنوان مثال، می توان از نانوالیاف برای ساخت الکترودهای باتری ها و سلول های خورشیدی استفاده کرد. این امر باعث افزایش ظرفیت و کارایی این دستگاه ها می شود. همچنین، نانوالیاف می توانند برای ساخت پیل های سوختی با راندمان بالا استفاده شوند.
سایر صنایع
- صنعت خودرو: می‌توانند برای ساخت قطعات سبک و مقاوم در برابر خوردگی، مانند بدنه خودرو و قطعات داخلی، استفاده شوند.
- صنعت هوافضا: می توانند برای ساخت مواد کامپوزیتی سبک و مقاوم در برابر حرارت، مانند بدنه هواپیما و ماهواره ها استفاده شوند.
- صنعت الکترونیک: می توانند برای ساخت حسگرهای بسیار حساس و نمایشگرهای منعطف استفاده شوند.
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.
مطالعه مقالات زیر نیز به شما پیشنهاد می گردد:
آیا این نوشته برایتان مفید بود؟
