نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی

نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی به معنای استفاده از اصول و روش‌های نانوتکنولوژی برای طراحی، تولید و بهبود مواد شیمیایی است. با کوچک‌کردن ذرات مواد به‌اندازه نانومتر، می‌توان خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آنها را به طور قابل‌توجهی تغییر داد. این تغییر خواص، کاربردهای جدید و هیجان‌انگیزی را در صنایع مختلف، از جمله پزشکی، الکترونیک، انرژی و محیط‌زیست، ایجاد کرده است.

نانوتکنولوژی چیست؟

قبل از بررسی کاربرد نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی، نیاز است ابتدا با علم نانو آشنا شویم. نانو به زبان یونانی به معنی کوتوله است که به چیزهای بسیار کوچک اشاره دارد. یک نانومتر (nm) برابر با یک میلیاردیم متر (۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۱ متر) است. به عبارتی دیگر اگر یک بخش یک میلی‌متری روی یک خط‌کش به یک میلیون قسمت مساوی تقسیم شود، هر یک از این بخش‌ها یک نانومتر طول دارد. علم نانو و نانوتکنولوژی زمینه‌های علمی چندرشته‌ای هستند که با تهیه، پردازش و کاربرد مواد، دستگاه‌ها و سیستم‌ها در مقیاس نانومتری سروکار دارند. این موضوعات توجه زیادی را به خود جلب کرد که منجر به پیشرفت‌های بسیاری شدند که در زندگی روزمره ما استفاده می‌شوند.

چرا نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی مهم است؟

یکی از تأثیرات مهم نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی، ایجاد خواص جدید در آنها است. مواد در مقیاس نانو، خواصی از قبیل استحکام بیشتر، واکنش‌پذیری بالاتر، هدایت الکتریکی و حرارتی بهتر و خواص نوری جدید از خود نشان می‌دهند. همچنین نانوتکنولوژی به محققان اجازه می‌دهد تا مواد شیمیایی جدیدی با خواص سفارشی ایجاد کنند و راه‌های جدیدی برای حل چالش‌های جهانی بیابند. در ادامه مثال‌هایی از کاربردهای نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی بررسی می‌شود که نشان‌دهنده وابستگی و تأثیر این دو موضوع یعنی علم نانو و مواد شیمیایی به یکدیگر است:

نانوذرات در کاتالیز: نانوذرات به‌عنوان کاتالیزور در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی کاربرد دارند و باعث افزایش سرعت و بازدهی واکنش‌ها می‌شوند.

مواد شیمیایی نانو در داروسازی: نانوذرات شیمیایی برای حمل دارو به سلول‌های هدف و افزایش کارایی داروها استفاده می‌گردند.

نانومواد در الکترونیک: بسیاری از نانومواد شیمیایی در ساخت تراشه‌های کامپیوتری کوچک‌تر و سریع‌تر، باتری‌هایی با ظرفیت بیشتر و نمایشگرهای منعطف کاربرد دارند.

نانومواد در محیط‌زیست: نانومواد شیمیایی که به‌صورت غشا ساخته می‌شوند می‌توانند برای تصفیه آب و پاک‌سازی خاک‌آلوده استفاده می‌شوند.

به طور خلاصه، نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی یک حوزه تحقیقاتی فعال و پرکاربرد است که پتانسیل تغییر بسیاری از صنایع و بهبود کیفیت زندگی انسان را دارد.

نانو مواد و مواد شیمیایی

یکی از کاربردهای نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی، ایجاد ساختاری شیمیایی در ابعاد نانو یا نانومواد شیمیایی است. نانومواد، موادی هستند که حداقل یک بعد در مقیاس نانومتری دارند. دانشمندان کشف کردند که مواد با اندازه نانومتری خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی نسبت به نمونه‌های بزرگ‌تر خود نشان می‌دهند به‌عنوان‌مثال، طلا (Au) دارای خواص شناخته شده‌ای است: یک فلز نرم و براق به رنگ طلا، یک رسانای خوب گرما و الکتریسیته، دارای خواص شیمیایی بی‌اثر (که به طور گسترده در صنعت جواهرات استفاده می‌شود) که نقطه ذوب آن می‌تواند به ۱۰۶۴ درجه سانتیگراد برسد. این خواص در طلا با ابعادی بزرگ‌تر از محدوده نانومتری وجود دارد.

کاهش اندازه طلا به مقیاس نانومتری باعث تغییرات چشمگیری در خواص آن می‌شود به‌عنوان‌مثال، طلا با اندازه نانومتری دارای رنگی سرخ است. همچنین طلا ابعاد نانومتری، به یک نیمه‌رسانا و کاتالیزور خوب تبدیل می‌شود و نقطه ذوب آن به ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد بسیاری از مواد در مقیاس نانو خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و شیمیایی منحصربه‌فردی را نشان می‌دهند که این خواص را در ابعاد بزرگ‌تر ندارند؛ بنابراین هر یک از عناصر و مواد شیمیایی که در ابعاد نانو قرار بگیرد، خواص و ویژگی‌های جدیدی به دست می‌آورد.

نقش نانوتکنولوژی در بهبود خواص مواد شیمیایی

نقش نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی بسیار محسوس است تا جایی که موجب می‌شود این دوشاخه رابطه تنگاتنگی با یکدیگر داشته باشند. بسیاری از حوزه‌های نانوتکنولوژی بر اساس اصول و تعاملات شیمیایی بنیادی عمل می‌کنند که زیربنای بسیاری از مکانیسم‌ها و پدیده‌های نانوتکنولوژی هستند. صنعت شیمیایی طیف گسترده‌ای از نانوذرات کاربردی را تولید می‌کند این نانوذرات را می‌توان در طیف وسیعی از محصولات از رنگ‌ها گرفته تا خوراکی‌ها و لوازم خودروها یافت. یکی از مشهورترین مواد شیمیایی که با استفاده از فناوری نانو ساخته شده است، تفلون است که در ساخت بسیاری از ظروف آشپزخانه مورداستفاده قرار می‌گیرد.

یکی دیگر از فرمولاسیون‌های مواد شیمیایی که تحت‌تأثیر نانوتکنولوژی است، ضدآفتاب است. همان‌طور که ممکن است بسیاری از شما بدانید، مواد اصلی تشکیل‌دهنده کرم‌های ضدآفتاب، زینک اکساید است. این ماده شیمیایی در ابعاد عادی و به‌صورت پودری، دارای رنگ سفیدی است که به‌سادگی به پوست نفوذ نمی‌کند و موجب ایجاد رد سفیدی روی پوست می‌گردد. با استفاده از نانوتکنولوژی و تولید زینک اکساید در ابعاد نانو، ضد آفتاب‌هایی تولید شدند که بدون هیچ‌گونه سفیدی، به‌سرعت جذب پوست می‌شوند.

کاتالیزورها از جمله مواد شیمیایی هستند که برای تسریع فرایندها و کاهش زمان واکنش استفاده می‌شوند کاتالیست‌ها و سطوح کاتالیزوری در مقیاس نانو در سال‌های اخیر مزایای چشمگیری برای بسیاری از حوزه‌های شیمیایی داشته‌اند. قرارگیری این مواد شیمیایی در ابعاد نانو موجب می‌شود که سرعت واکنش‌های شیمیایی تا حد زیادی افزایش پیدا کند که این مورد موجب صرفه‌جویی در زمان، هزینه و مقدار مواد شیمیایی می‌گردد. پلیمرها یکی دیگر از مواد شیمیایی هستند که با استفاده از نانوتکنولوژی در حوزه‌های مختلفی مورداستفاده قرارمی گیرند. نانوذرات پلیمری به دلیل خواص منحصربه‌فرد خود، از جمله اندازه کوچک، سطح ویژه بالا، زیست‌سازگاری و امکان اصلاح سطح، در طیف وسیعی از کاربردها، به‌ویژه در حوزه‌های پزشکی و مهندسی مورداستفاده قرار می‌گیرند

سوالات متداول نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی

۱- چه چالش‌هایی در توسعه نانوتکنولوژی در صنعت مواد شیمیایی وجود دارد؟

با وجود مزایای فراوان، توسعه نانوتکنولوژی با چالش‌هایی نیز همراه است، برخی نانوذرات ممکن است برای سلامتی انسان و محیط‌زیست مضر باشند. همچنین تولید نانومواد در مقیاس صنعتی هنوز هزینه بر است.

۲- نانوتکنولوژی چگونه خواص مواد شیمیایی را تغییر می‌دهد

نانوتکنولوژی با دست‌کاری مواد در مقیاس اتمی و مولکولی، نحوه قرارگیری الکترون‌ها و اتم در سطح ماده، موجب تغییر در خواص شیمیایی و فیزیکی آنها می‌گردد.

۳- قرارگیری مواد شیمیایی در ابعاد نانو چه مزایایی دارد؟

هنگامی که مواد شیمیایی در ابعاد نانو قرار می‌گیرند، سطح تماس بسیار بیشتری نسبت به ذرات بزرگ‌تر دارند. این امر باعث افزایش واکنش‌پذیری، کاتالیزوری و جذب بهتر مواد توسط آنها می‌شود

۴- آینده نانوتکنولوژی در صنعت شیمی چگونه خواهد بود؟

آینده نانوتکنولوژی در صنعت شیمی بسیار امیدوارکننده است. پیش‌بینی می‌شود که نانوتکنولوژی به طور فزاینده‌ای در صنایع مختلف از جمله انرژی، محیط‌زیست، پزشکی و الکترونیک مورداستفاده قرار گیرد.

۵- چه ملاحظات اخلاقی دررابطه‌با استفاده از نانوتکنولوژی وجود دارد؟

استفاده از نانوتکنولوژی در مواد شیمیایی با برخی ملاحظات اخلاقی همراه است، از جمله اثرات زیست‌محیطی، ایمنی انسان، توسعه نانوتکنولوژی ممکن است شکاف بین کشورهای توسعه‌یافته و درحال‌توسعه را افزایش دهد.