فن‌آوری نانو و کاربرد آن در ساخت تجهیزات زیست محیطی

نانو تکنولوژی (Nano technology) یا به عبارتی فن‌آوری مادون ریز در دو دهه اخیر پیشرفت‌های فراوانی را در تکنولوژی تجهیزات و مواد با ابعاد بسیار کوچک به‌دست آورده است، و به سوی تحولی فوق‌العاده که تمدن بشری را تا پایان این قرن دگرگون خواهد کرد، پیش خواهد برد. در بیانی کوتاه نانو تکنولوژی یک فرآیند تولید مولکولی و هم‌چنین دانشی عام و فراگیر است، در بسیاری از فن‌آوری‌ها از جمله علوم مهندسی محیط زیست و ساخت تجهیزات پیشگیرانه و محافظ محیط زیست د رمقابل انواع آلودگی‌های زیست محیطی (آب، خاک، هوا و صوت) بسیار کاربرد دارد. از مهمترین کاربردهای زیست محیطی نانوتکنولوژی می‌توان به ساخت انواع نانو حس‌گرها، نانو فیلترها، کاتالیست‌های زیست محیطی، نانو پلیمرها، نانو ذرات، نانو زیست فن‌آوری (بیوتکنولوژی)، بهینه‌سازی انرژی‌های نو، و هم‌چنین کاربرد آن در تصفیه آلاینده‌های زیست‌محیطی و ... اشاره نمود. استفاده از این تکنولوژی (فن‌آوری سبز) باعث صرفه‌جوئی فوق‌العاده‌ای در مصرف هزینه، انرژی، حفاظت از کلیه منابع محیط زیست و پیشگیری از آلودگی‌های زیست‌محیطی می‌گردد و نهایتاً راه را برای رسیدن به توسعه پایدار (Sustainable Development) هموارتر خواهد نمود.
● مقدمه
در قرنی که ما در آن به‌سر می‌بریم جنگ اتمی و آلودگی محیط زیست بزرگترین تهدید برای بشریت محسوب نمی‌شود. ظهور ماشین‌های بی‌نهایت کوچک به اندازه یک سر سوزن یا در اندازه مولکولی بیشتر از آنها بشریت را تهدید می‌کند، زیرا این ماشین‌ها قادرند با تغییر اتم‌های یک ماده به یک ماده دیگر یک نوع بازسازی تازه انجام دهند که اگر کوچکترین حالت آن از کنترل خارج شود تمام گیاهان و جانوران و انسان‌ها طی دو روز به‌عنوان ماده خام ماشین‌ها مصرف شده و از بین می‌روند. دانشمندان این مسئله را گری‌گو (Gray goo) یا احساس تلخ و اندوه می‌نامند و طرفداران حفظ محیط زیست را وادار می‌کنند به‌طور جدی در مقابل آن بایستند و در برنامه‌های خود در مورد توجه کامل قرار می‌دهند. طبق مواد مختلف قانون چهارم توسعه در بخش محیط زیست و تأکید بر کنترل و پیشگیری از آلودگی‌های زیست‌محیطی و حفظ منابع آب، خاک، هوا ما را به فکر وا می‌دارد که اجرای این اقدامات پیشگیرانه در سایه فناوری نانو، تسریع این اقدامات را میسر می‌سازد، به‌ویژه این که در فصل چهارم قانون توسعه بر توسعه مبنی بر دانائی و استفاده معقول (Wise Use) تأکید خاص گردیده است. فناوری نانو بنابر تعریف، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم‌های جدید با در دست گرفتن سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در سطوح آن ظاهر می‌شود. با توجه به این تعریف، فناوری نانو مختص یک رشته نیست بلکه تمام رشته‌ها از جمله غذا، دارو، پزشکی، الکترونیک، کامپیوتر، انرژی، و محیط زیست می‌تواند متأثر از این فناوری گردد. امروزه با کاربرد وسیع این فناوری درمنابع آب، کشاورزی، انرژی، دوام‌پذیری مواد و محیط زیست و درمان مسائل زیست‌محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده‌ها و توسعه فناوری‌های سبز و حذف آلاینده‌های کوچک و بزرگ از منابع آب، خاک، هوا، سرمایه‌گذاری‌های کشورهای مختلف در این زمینه افزایش یافته است. امروزه باور عمومی بشر به این مسئله است که با غفلت از نابودی محیط زیست و دورریزی غیرمسئولانه مواد زائد و انتشار آلاینده‌ها نمی‌تواند به پیشرفت‌های خود ادامه دهد. از این‌رو در جستجوی یک تکنولوژی سازگار با محیط زیست، نانوتکنولوژی در بین تکنولوژی‌های پا به عرصه گذاشته در جهان در یک وضعیت ناباورانه و با یک رویکرد جدید در علوم جلوه می‌نماید که علاوه بر سازگاری آن با محیط زیست، ابزار مؤثری در رفع و کاهش آلاینده‌های به‌جا مانده در محیط بر اثر فعالیت سایر تکنولوژی‌ها محسوب می‌شود. امروزه در دنیا از نانوتکنولوژی به‌عنوان یک تکنولوژی کلیدی و تأثیرگذار بر علم، تکنولوژی و صنعت یاد می‌شود.
● نانوتکنولوژی
نانو از لغت یونانی (نانوس) به معنای (کوتوله) گرفته شده است و در اصل عملی است که درباره اجسام بسیار کوچک مطالعه می‌کند. یک نانومتر یک میلیونیم میلیمتر و ده مرتبه کوچکتر از اتم هیدروژن است. تامسی کنی محقق دانشگاه استنفورد آن را چنین توصیف می‌کند: اندازه‌ای که ناخن شما در یک ثانیه رشد می‌کند. هر چند که تعریف دقیقی از این علم وجود ندارد. مؤسسه علوم طبیعی در آمریکا نیز آن را چنین تعریف می‌کند: تحقیق و توسعه علم در بارهٔ موادی به اندازه تقریباً ۱ تا ۱۰۰ نانومتر در موارد خاص اندازه‌ها ممکن است کوچکتر از یک نانومتر یا بزرگتر از صد نانومتر باشد. به‌نظر می‌رسد که تمام این برنامه‌ها تا واقعیت فاصله زیادی داشته باشد. اریک کدر کسلر که به‌عنوان یکی از بنیان‌گذاران نانوتکنولوژی شناخته می‌شود، این واژه را در سال ۱۹۸۶ در کتابش با عنوان ماشین آفرینش (Engines of creation) قرار داده است. کسلر در گذشته یکی از محققان انیستیو تکنولوژی ماساچوست (MIT) بود او آینده‌ای را ترسیم می‌کند که در آن ماشین‌های بسیار کوچک قادرند سلول‌های بیمار را به‌طور مجزا در جریان خون مداوا کنند، مغزهای مصنوعی را توسعه دهند، آلودگی محیط زیست را از بین ببرند و هر چیزی را از ساختمان‌ها گرفته تا فضاپیماها، به‌طور کامل اتم به اتم و با دقتی بی‌نظیر مورد آزمایش قرار دهند. از آنجائی که می‌توانند خودشان را باسازی کنند، می‌تواند با رونق و توسعه از مسائل بزرگی نظیر فقر و گرسنگی هم نجات دهند. در واقع آنها یک انقلاب صنعتی جدید به حساب می‌آیند. کسلر اولین فردی نبود که رویای این دنیای کوچک را در سر داشت. تقریباً سه دهه قبل در ۲۹ دسامبر ۱۹۵۹ ریچارد فایمن فیزیکدان مشهور سخنرانی معروفی را در انجمن فیزیک آمریکا ارائه داد در آن سخنرانی با عنوان: در آن‌جا فضای زیادی وجود دارد، ادعا کرد که تمام کلماتی که در جهان تا آن تاریخ به رشته تحریر در آمده می‌توان بر روی حجمی به اندازه یک دهم میلیمتر جای داد که تقریباً به اندازه کوچکترین ذره گرد و غباری است که انسان می‌تواند ببیند چنین متنی به‌صورت دیجیتالی ذخیره می‌شود.
● فن‌آوری نانو و محیط زیست:
امروزه پیشرفت تکنولوژی و دستیابی انسان به روش‌های نوین برای استفاده از منابع طبیعی دستاوردهائی را به همراه دارد که علاوه بر تأثیرات فراوان در زندگی بشر، تأثیراتی منفی را نیز برای طبیعت به ارمغان می‌آورد. به‌تازگی انسان متمدن به این تفکر رسیده است که شاید بتوان با استفاده از تکنولوژی مدرن و پیشرفته به کمک منابع طبیعی و محیط زیست شتابد که از جمله می‌توان به فناوری نانو و کاربرد آن در حفظ محیط زیست اشاره کرد. تأثیرات مستقیم و غیر مستقیم فن‌آوری نانو بر محیط زیست، از جنبه‌های مختلف قابل بررسی است. در حال حاضر، می‌توان موارد متعددی از کاربرد مواد نانو ساختاری در حفظ محیط زیست، از قبیل نانوفیلترها (برای تصفیه پساب‌های صنعتی)، نانوپودرها (برای تصفیه گازهای آلاینده خروجی از خودروها و واحدهای صنعتی) و نانو تیوب‌ها (برای ذخیره‌سازی سوخت کاملاً تمیز هیدروژن) را برشمرد، اما دورنمای استفاده از این فناوری نوین بسیار گسترده‌تر از این‌گونه کاربرهای جزئی و مقطعی است. برخی از مهمترین کاربردهای علمی شناخته شده فناوری نانو در زمینه محیط زیست نانوحس‌گرها، نانو فیلترها و کاتالیزورهای زیست محیطی هستند که به ترتیب به آنها اشاره می‌شود:
▪ نانوحس‌گرهای زیست محیطی:
نانوحس‌گر وسیله‌ای است بسیار ریز که قادر به شناسائی و ارائه پاسخ به محرک‌های فیزیکی در مقیاس یک نانومتر است. نانوحس‌گرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف از جمله محیط زیست یافته‌اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.
▪ آلودگی هوا:
یکی از نیازهایمهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هواست. با استفاده از نانوحس‌گرها پیشرفت مؤثری در زمینه کنترل آلودگی هوا صورت گرفته است. با اختراع اولین نمونه‌های غبار هوشمند، تولید این‌گونه حس‌گرها به مرحله کاربرد علمی نزدیک‌تز شد. هدف اصلی از ساخت غبارهای هوشمند، تولید مجموعه‌ای از حس‌گرهای پیشرفته به‌صورت نانو رایانه‌های بسیار سبک است. این نانوحس‌گرها به‌راحتی ساعت‌ها در هوا معلق باقی می‌مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می‌شوند و می‌توانند از طریق بی‌سیم موجود در خود، اطلاعات جمع‌آوری شده را به یک پایگاه مرکزی ارسال کنند. سرعت انتقال اطلاعات از نمونه‌های اولیه حدود یک کیلو بایت در ثانیه است.
▪ انتشار گازهای سمی:
انتشار و پخش گازهای مهلک و سمی یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متأسفانه هشدار دهنده‌های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسائی این‌گونه گازهای نشتی می‌شوند. این نوع حس‌گرها از نانوتیوب‌های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده‌اند و می‌توانند مولکول‌های گازهای سمی را جذب کنند. آنها هم‌چنین قادر به شناسائی تعداد معدودی از مولکول‌های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی‌اند که این حس‌گرها برای شناسائی به هنگام گازهای بیوشیمیائی جنگی، آلاینده‌های هوا و حتی مولکول‌های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.
▪ نانوفیلترها، نانوسیسورها و مواد هوشمند:
یکی دیگر از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب است. غشای مورد استفاده در فرآیند نانو فیلتراسیون معمولاً مولکول‌های بزرگ را دفع می‌کند و در مقایسه با روش‌های دیگر قادرند با صرف انرژی کمتر آب چاه‌ها یا آب‌های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند. این فرآیند قادر است انواع باکتری‌ها، ویروس‌ها، آفت‌‌‌کش‌ها، آلاینده‌هائی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. نظر به این که در فرآیند نانو فیلتراسیون از هیچ ماده شیمیائی برای سختی‌گیری (Water Hardness) آب استفاده نمی‌شود، بنابراین اثرات منفی زیست‌محیطی آن به مراتب کمتر از روش‌های شیمیائی معمول است. علاوه بر این، ذرات نانو ساختار انعطاف‌پذیری زیادی در تصفیه آلاینده‌ها دارند. به‌عنوان مثال از ذرات نانو ساختار برای تصفیه فوری خاک، رسوبات، ضایعات جامد، تصفیه آب و پسماندهای مایع استفاده می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که ذرات دو فلزی نانو ساختار مانند آهن، پالادیم، آهن، نقره و روی، پالادیم کاربردهای زیادی در تصفیه و پالایش آلوده‌کننده‌های محیط زیست، مانند آفت‌کش‌های کلرینه با منشا آلی و حلال‌های آلی هالوژنه یافته‌اند. تجربه نشان داده است که استفاده از ذرات نانو ساختار دو فلزی موجب می‌شود تا کلیه هیدروکربن‌های حاوی ترکیبات کلردار که بسیار سمی‌اند به هیدروکربن‌های بی خطر برای محیط زیست تبدیل شوند. به‌علاوه، شواهد بسیار مبین این واقعیت است که ذرات نانو ساختار با پایه آهنی، قادر به تجزیه آلودگی‌های بسیار پایدار هم‌چون ترکیبات پرکلرات‌ها، نیترات‌ها، فلزات سنگین (نیکل و جیوه) و مواد رادیواکتیو مانند دی‌اکسیداورانیوم هستند. علاوه بر این می‌توان از نانو ساختارها برای رنگ‌زدائی از آب آشامیدنی استفاده کرد. رنگ موجود در آب آشامیدنی نه تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلکه چون این رنگ‌ها می‌توانند منشا تولید تری هالومتان نیز باشند، بسیار خطرناک محسوب می‌شوند. این ماده هنگام ترکیب با کلر موجب تشکیل کلروفرم و دیگر ترکیبات هالوژنه مضر و سرطان‌زا می‌شوند. رنگ موجود در آب طبیعی معمولاً ناشی از وجود اسیدهای معدنی است. اسیدهای مذکور از تجزیه مواد آلی موجود در آب حاصل می‌شوند. اغلب روش‌های متداول برای تصفیه آب قادر به جداسازیمواد فوق نیستند، لیکن با استفاده از غشاهای نانو می‌توان تا ۹۹ درصد این‌گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد. هم‌چنین تحقیقات نشان می‌دهد استفادهاز فناوری نانو در تصفیه آب می‌تواند هزینه‌های تصفیه را تا حدود زیادی کاهش دهد. الکل‌هائی مانند اتانول به‌عنوان حلال یا ماده پاک‌کننده به وفور در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد در حین مصرف مقادیر زیادی از ناخالصی‌های مختلف را به خود جذب می‌کنند. با توجه به این که دور ریختن آنها پس از مصرف، اثرات زیان‌باری بر محیط زیست دارد، باید برای استفاده مجدد (Use ـ Re) تصفیه شوند. روش‌های متداول از قبیل تقطیر، ضمن آلوده کردهن محیط زیست انرژی زیادی را تلف می‌کنند.
استفاده از نانوفیلترها گام مؤثری در حفاظت محیط زیست و صرفه‌جوئی انرژی در این زمینه است. فیلترها بر اساس اندازه منافذشان دسته‌بندی می‌شوند و بر این اساس به میکروفیلترها، آلترافیلترها و نانوفیلترها دسته‌بندی می‌شوند. نانو فیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پائین‌تر از اسمز معکوس است، بنابراین فیمت تمام شده نانوفیلترها علاوه بر بازیابی ویروس‌ها و باکتری‌ها نیز می‌باشند، بنابراین می‌توانند در رفع آلودگی‌های آب‌های ذخیره نوشیدنی انسان‌ها و آب‌های کشاورزی استفاده شوند. نانوفیلترها می‌توانند به فیلتراسیون سریع خون کمک فراوانی کنند. در حال حاضر مسمومیت خونی یکی از مشکلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحدهائی که نیاز به مراقبت شدیدتری دارند بیشتر است، چون مریض‌ها آسیب‌پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید خون هرچه سریع‌تر از عامل مسمومیت پاک شود. برای تشخیص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin باید از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسائی شود. با استفاده از نانوفیلترها می‌توان در یک مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا کرده و عامل مسمومیت را شناسائی کرد و علاوه بر این خون را تمیز کرد.
علاوه بر این نانوفیلترها می‌توانند در جداسازی‌های بیولوژیکی باکتری، ویروس، اسیدنو کلوئیک تصفیه DNA، جذب پروتئین‌ها و اسیدنو کلوئیک‌ها، سوبسترا برای کشت Batch، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذائی و استریلیزه کردن سرم‌های پزشکی و سیالات بیولوژیکی استفاده شوند. نانوتکنولوژی با ساخت سنسورها در ابعاد کوچک ما را قادر خواهند ساخت که بتوانیم بسیاری از پارامترها را بادقت بیشتری ارزیابی کنیم. با استفاده از مولکول‌های بیولوژیکی قادر خواهیم بود که نانوسنسور بسازیم. نانوسنسورها کاربردهای بسیاری در سه حوزه مهم نانوبیوتکنولوژی (پزشکی، کشاورزی و صنایع غذائی) دارند که شامل: آشکارسازی عوامل و کمیت‌های شیمیائی و بیولوژیکی، توالی سنجی DNA در تشخیص بیماری‌ها و تولید داروها، در آزمایش‌هایمؤثر و سریع بر روی داروهای جدید، سیستم‌هیا کنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ سلامت محصولات کشاورزی و غذائی در انبارها و حمل و نقل و انتقال، سیستم‌های مجتمع نانوسنسوری برای اندازه‌گیری، گزارش‌دهی و کنترل هوشمند گیاهان یا دام‌ها، بیوسنسورهای دقیق‌تر برای شناسائی پروتوین‌ها، آشکارسازی سریع عوامل بیماری‌زا و ... می‌باشند.
▪ نانو لوله‌ها و نانو کامپوزیت‌ها:
نانو لوله‌های کربنی اولین نسل محصولات نانو هستند که در سال ۱۹۹۱ کشف و به جهان عرضه شدند. نانو لوله‌ها از پیچیده شدن ورقه‌های گرانیت با ساختاری شبیه شانه عسل ‌به‌دست می‌آیند. این لوله‌ها بسیار بلند و نازک هستند و ساختارهائی پایدار، مقاوم و انعطاف‌پذیر دارند. نانو لوله‌ها قوی‌ترین فیبرهای شناخته شده‌اند و ۱۰۰ـ۱ برابر قوی‌تر از واحد وزنی استیل هستند و می‌توانند جایگزین سرامیک‌های معمولی، آلومینیو و حتی فلزات در ساخت هواپیما، چرخ‌دنده‌ها، یاتاقان‌ها ، اجزاء ماشین، دستگاه‌های پزشکی، وسایل ورزشی و دستگاه‌های صنعتی تولید غذا شوند. مطالعات اخیر پیشنهاد می‌کند که از نانو لوله‌های کربنی برای اهداف بیولوژیکی مثل کریستالیزاسیون، پروتئین‌ها و ساخت بیوراکتورها و بیوسنسورها استفاده شود. نانو لوله‌های کربنی در محیط‌های آبی نامحلول‌اند.بنابراین برای کاربردهای نانولوله‌های کربنی توسعه غشاهای رسانای الکتریکی است. به‌خاطر نسبت بالای طول به قطر، نانو لوله‌های کربنی می‌توانند پلیمرهای رسانا تبدیل کنند، اگر این پلیمرها برای توسعه غشاءهای جدید استفاده شوند میزان جداسازی طعم‌ها و مواد مغذی افزایش خواهد یافت. این ماده به‌عنوان یک افزودنی در تولید نانو کامپوزیت استفاده می‌شود. افزودنی فقط ۳ـ۵% از این ماده پلاستیک را سبک‌تر، قوی‌تر و مقاوم‌تر به حرارت می‌کند و خواص ممانعت‌کنندگی بهتر در برابر اکسیژن، دی‌اکسیدکربن، رطوبت و مواد فرار دارد. این خواص برای بسته‌بندی مواد غذائی مثل گوشت‌های فرآیندی، پنیر، آرد قنادی، غلات و غذاهای کنسرو شده را افزایش دهد.
▪ نانو بیو مواد:
مواد جدید همواره یکی از عوامل ضروری و توانزای کلیدی برای ساخت سیستم‌ها و کاربردهائی با اثرات چشمگیر بوده‌اند. این مواد می‌توانند موانع فرآیندهای قبلی را بشکنند و نهایتاً کاربردهائی با منافع بالقوه جهانی را تولید کنند. مواد در مقیاس نانو، یعنی موادی که ویژگی‌هایشان در سطح کمتر از میکرو (کوچک‌تر از۱۰ـ۶ یا ۱۰ـ ۹ نانو) قابل کنترل است. خواص مواد در چنین ابعاد و اندازه‌هائی با مواد متعارف اساساً متفاوت است و به همین لحاظ تحقیقات در حوزهٔ نانو مواد روز به روز فعال‌تر می‌شود. نانو بیوذرات، ذرات کلوئیدی و جامدی هستند که شامل اجزاء ماکرو مولکولی با اندازه ۱۰۰۰nmc ـ ۱۰ با شیمی سطح پیچیده هستند. بسته به روش تولید، نانو ذرات به شکل نانوکپسول یا نانو کره هستند نانو کره‌ها سیستم‌های ماتریسی می‌باشند در حالی‌که نانو کپسول‌ها سیستم‌های وزیکولار می‌باشند. نانو کپسول‌ها نانو ذراتی هستند که دارای یک پوسته و فضای خالی داخل آن جهت قرار گرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفولیپیدها با یک سر آب‌دوست و یک سر آب‌گریز وقتی در یک محیط آبی قرار می‌گیرند، تشکیل کپسول‌هائی می‌دهند که سر آب‌دوست آن در بیرون و سر آب‌گریز مولکول‌ در درون آن قرار می‌گیرند، از پلیمرهائی مثل لیپید و پروتئین نیز می‌توان برای ساخت نانوکپسول استفاده کرد. درخت سان‌ها (Denderimers) ماکرومولکول‌هائی با ساختار منتظم و پر شاخه سه‌بعدی، که به خاطر دانسیته بالای گروه‌های فعال کاربردهای زیادی دارند. ردخت سان‌ها به دلیل رقابت طراحی و ساخته شدن با دقت کاملاً اتمی بیشترین توانمندی را در مقایسه با نانوحفرات، نانو کپسول‌ها و نانو ذرات از خود نشان می‌دهند. کاکلیت‌ها (Cochleates) رسوبات دو ظرفیتی فسفولیپیدی پایدار از مواد طبیعی هستند. این مواد ساختارهای چند لایه‌ای بزرگ و پیوسته چربی که به شکل مارپیچ درآمده‌اند، تشکیل شده‌اند. آنها محتویاتشان را زاطریق لایه سیال خارجی به غشاء سلول‌های هدف انتقال می‌دهند. کاکلیت‌ها در برابر عوامل محیطی مقاوم هستند و ساختار لایه‌ای محکمشان آنها را در برابر تجزیه توسط مولکول‌های شکننده Cochleates محافظت می‌کند، حتی اگر در شرایط سخت محیطی یا در برابر آنزیم قرار گیرند.
▪ نانوپلیمرهای متخلخل:
هنگامی که آلاینده‌های آلی آب‌گریز از طریق آب وارد خاک می‌شوند، به‌راحتی توسط ذرات جامد غیر محلول در آب جذب و از آب جدا می‌شوند. پدیده‌ جذب و دفع این‌گونه آلاینده‌ها از آب به خاک و از خاک به هوا بسیار پیچیده است و به‌عوامل متعددی از قبیل حلالیت در آب، آب موجود در شبکه خاک و رقابت اجزای مختلف خاک برای جذب این ذرات بستگی دارد. هنگامی که بیش از یک مولکول آب‌گریز در محیط وجود داشته باشد، مولکول‌های آلاینده به جسمی متصل می‌شوند که از لحاظ شیمیائی بیشترین شباهت را به آنها داشته باشد. به‌همین دلیل نانوپلیمرهای متخلخل که شباهت زیادی به مولکول‌های مواد آلاینده دارند، مناسب‌ترین وسیله برای جداسازی این نوع آلاینده‌های آلی از آب و خاک به شمار می‌روند. به‌طور کلی کاربردهای زیست‌محیطی این نانو ساختارها عبارتند از:
۱) جداسازی آلاینده‌های آلی از آب آشامیدنی.
۲) تصفیه پساب‌های واحدهای صنعتی مانند نیروگاه‌های هسته‌ای برای استفاده مجدد از آنها.
۳) پاک‌سازی منابع آبی آلوده شده به مواد نفتی.
۴) پاک‌سازی منابع ‌آب‌ زیرزمینی از آلاینده‌های آلی.
با توجه به این‌که نانوپلیمرهای متخلخل در موارد بسیار زیادی مورد استفاده قرار‌ می‌گیرند، بنابراین هزینه‌های تصفیه به مراتب کمتر می‌شود.
▪ کاتالیست‌های زیست‌محیطی: (Environmental Catalist)
از زمینه‌های دیگر کاربردهای مواد نانوساختاری، استفاده از آنها به‌عنوان کاتالیزورهای زیست‌محیطی برای تصفیه خروجی اگزوز اتومبیل‌ها و پالایش آب و هواست. کاتالیزورهای رایج که اغلب پایه پلاتین دارند، اگرچه راندمانشان کافی است، اما بسیار گران‌قیمت‌اند.
▪ پلیمرهای زیستی:
از نانوساختارهائی مثل پلیمرهای زیستی می‌توان برای تولید تراشه‌های الکترونیکی استفاده کرد. طبق اطلاعات موجود، برای تولید هر گرم ریز تراشه ۳۲ مگابایتی، به مصرف ۸۵ گرم سوخت فسیلی و مواد شیمایائی و ۱۶ کیلوگرم آب نیاز است. با استفاده از فرآیندهای نانو می‌توان شیوه مرسوم در تولید تراشه‌های نیمه‌ هادی را تا حد بسیار زیادی بهبود بخشید. علاوه بر این، استفاده از فناوری نانو منجر به تولید مواد بی‌خطر به‌جای مواد سمی می‌شود. برای مثال، مانیتورهای ساخته شده از لوله‌های اشعه کاتدی (که حاوی مواد سمی‌اند) است و راندمان بالاتری هم دارند. نمایشگرهای ساخته شده از کریستال مایع ضمن کوچک بودن حاوی سرب نیستند و مصرف انرژی آنها بسیار کمتر از انواع مشابه کاتدی است. علاوه بر این استفاده از نانولوله‌های کربنی در نمایشگرهای کامپیوتری به کاهش مصرف فلزات سنگین در آنها کمک می‌کند و از این طریق از آسیب به محیط زیست می‌کاهد.
▪ نانو پوشش‌ها:
پوشش‌های نانو ساختاری پیشرفته به‌خوبی بر سطوح مختلف از قبیل فلزات، شیشه، سرامیک و پلاستیک می‌چسبند و تنها چند میکرون ضخامت دارند، ویژگی‌های بارز این نانو پوشش‌گرها خاصیت ضد خوردگی آنهاست که کاربرد پوششی آنها را در فلزات سبک از قبیل آلومینیوم و منیزیم افزایش داده است. پوشش‌های یاد شده، در مقابل حرارت بسیار مقاومند و می‌توانند دما را تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد تحمل کنند. استفاده از این نوع پوشش‌گرها منجر به کاهش خوردگی فلزات می‌شود و در نهایت، محیط زیست را با کاهش میزان مصرف مواد خام حفظ خواهد کرد. کاربرد دیگر پوشش‌گرهای نانو ساختاری، در حذف گرد و غبار از روی سطوح مختلف و کاهش مصرف پاک‌کننده‌هاست. این نانو ذرات را به صورت یک لایه بسیار نازک برای روکش کردن سطوح مختلف از قبیل شیشه اتومبیل‌ها به‌کار می‌برند. در نتیجه، مایع مذکور سطح پوشش‌داده شده را خیس نمی‌کند و به‌صورت قطراتی روی آن باقی می‌ماند و به‌سرعت زدوده می‌شود. این عمل فرآیند خشک شدن را سرعت می‌دهد. بدیهی است که مصرف موماد شوینده به‌شدت کایهش می‌یابد و از آلودگی محیط زیست (Environmental Pollution) جلوگیری به عمل می‌آید.
▪ نانو پودرها:
نانوپودرها موادی به‌شدت فعال‌اند که در دمای پائین ذوب یا آلیاژ می‌شوند. این پودرها در فرآیندهای قالب‌گیری تزریقی و پوشش دادن سطوح مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. نوعی از پودرهای نانو ساختاری یاد شده که حاوی ذرات آلومینیوم است، در صورت افزوده شدن به سوخت‌های جامد موشک‌ها شدت سوختن آنها را تا دو برابر افزایش می‌دهد. اضافه کردن این پودر به نفت سفید باعث تسریع در احتراق آن و در نتیجه کاهش تولید آلاینده‌های مختلف می‌شود. آن‌چه از توانمندی‌های فناوری نانو ارائه شد به این معنی است که می‌توان از این روش‌ها برای حفظ محیط زیست در آینده‌ای نه‌چندان دور استفاده کرد و در کنار استفاده از منابع طبیعی با کمک فناوری‌های پیشرفته بتوان به‌تعاملی پایدار با طبیعت و نهایتاً توسعه پایدار رسید.
▪ کاربرد فن‌آوری نانو در تصفیه آلاینده‌های آب:
یکــی از مهمتریــــن کاربـــردهای فــن‌آوری نانـــو در محیــط زیسـت، تصفیــه آلاینــده‌های آب‌هــای زیرزمینـــی بــا نانو ذرات (nZVI(zero-valent iron است که بازده و راندمان قابل توجهی دارد، اما نامشخص بودن خصوصیات اساسی این فن‌آوری مشکلاتی در رابطه با استفاده بهینه و یا ارزیابی خطرات آن از لحاظ انسانی و اکولوژیکی به وجود آورده است.
سه مورد اساسی که باعث سوءتفاهم در مورد این فن‌آوری می‌شود، عبارتند از:
۱) nZVIهائی که در تصفیه آب‌های زیرزمینی استفاده می‌شوند بسیار بزرگتر از ذراتی هستند که تأثیرات حقیقی در اندازه نانو را نشان می‌دهند.
۲) واکنش‌پذیری بالای این ذرات عمدتاً نتیجه سطح ویژه بالای آنها است.
۳) تحرک nZVI تقریباً در تمامی شرایط کمتر از چند متر است. لذا استفاده از آن در تصفیه به حداقل می‌رسد.
در نهایت بیشتر کاربردهای زیست‌محیطی فن‌آوری نانو در سه مقوله جای می‌گیرند:
۱) محصولات بی خطر برای محیط زیست یا محصولات با قابلیت تحمل بالا مثلاً شیمی سبز.
۲) تصفیه مواد یکه با ذرات خطرناک آلوده شده‌اند.
۳) حس‌گرهائی برای ذرات محیطی.
با این‌که معمولاً این سه مقوله در زمره مواد شیمیائی یا مواد نانو بیولوژیکی تلقی می‌شود. باید توجه کرد که این موارد می‌تواند در مورد عوامل میکروبی و مواد زیست‌محیطی نیز کاربرد داشته باشد. فن‌آوری نانو نقش مهمی در بهبود روش‌های کشف و پاک‌سازی عوامل زیست‌محیطی مضر دارد. دو فن‌آوری متعارف تصفیه که در فن‌آوری نانو نیز از آنها استفاده می‌شود عبارتند از: جاذبه، واکنش درجا و غیر درجا. در فن‌آوری تصفیه جاذبه‌ای به کمک فرآیند جداسازی، آلاینده‌ها (به‌خصوص فلزات) جدا می‌شوند، در حالی‌که فن‌آوری واکنشی باعث تولید محصولات کم ضررتر می‌گردد. به‌عنوان مثال در مواردی که آلاینده‌ها آلی باشند محصولاتی مثل دی‌اکسیدکربن و آب تولید می‌شود. در فن‌آوری درجا، پاک‌سازی آلودگی در همان محل آلودگی (Pollution Point) صورت می‌گیرد، در حالی که در فن‌آوری غیر درجا، عملیات پاک‌سازی پس از انتقال مواد آلوده‌کننده به مکان مطمئن انجام می‌شود.
● نتیجه‌گیری:
نانو تکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم‌های جدید باید با در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر می‌شود. از همین تعریف ساده بر می‌آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته‌هاست. زمانی‌که فامین فیزیکدان برجسته آمریکائی ایده کار با اتم‌ها و مولکول‌ها را مطرح کرد، محققان جهان به کار در این عرصه روی آوردند و برای نانو تکنولوژی کاربردهائی گوناگون در حوزه‌های مختلف از غذا و دارو و تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک و کامپیوتر، ارتباطات، حمل‌ونقل، انرژی، محیط زیست، مواد، هوا‌فضا و امنیت ملی بر شمرده‌اند. کاربردهای وسیع این عرصه به همراه اثرات اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فن‌آوری را به‌عنوان یک زمینه (فرا رشته‌ای و فرابخشی) مطرح نموده است. علوم و فن‌آوری نانو، عنصری اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه‌های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آینده، همکاری‌های تحقیقاتی میان‌رشته‌ای، آموزش خاص و انتقال ایده‌ها به صنعت خواهد بود. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانو تکنولوژی به شرح زیر می‌باشند:
تولید مواد و فرآورده‌های صنعتی (مواد سبک‌تر و مستحکم‌تر، قابل برنامه‌ریزی و هوشمند، کاهش هزینه، افزایش عمر، ابزارهای جدید بر پایه اصول و معماری جدید، ساخت مولکولی و ...)، پزشکی، داروسازی و مراقبت‌های بهداشتی (توسعه نانو بیو‌حس‌گرها و تکنولوژی تصویربرداری جدید برای تشخیص زودتر و درمان بیماری‌هائی مثل سرطان، روش بیماری‌شناسی و درمان کارآمدتر و ارزان‌تر، داروهای جدید، کمک به بینائی و شنوائی، مواد جدید سازگار با محیط زیست که باعث افزایش زمان نگهداری اندام مصنوعی می‌گردد، استفاده از دستگاه‌های پزشکی کوچک و هوشمند، ارسال دارو به‌طور مستقیم به سلول‌های آسیب‌دیده و ....)، الکترونیک و کامپیوتر (تراشه‌ها و کامپیوترهای سریع‌تر با نانو ترانزیستورها، حافظه‌های با ظرفیت بسیار بالاتر، پهنای باند ارتباطی بالا، نسل جدیدی از ردیاب‌ها، پردازنده‌ها و نانو دستگاه‌ها)، منابع طبیعی و محیط زست (تخلیص و نمک‌زدائی آب، کاهش مصرف بنزین با تغییر در خودروها، تایرهای سازگار بامحیط زیست، استفاده از نانو پودرها برای رفع آلودگی، استفاده از سیستم‌های نانوروباتیک و هوشمند برای مدیریت فاضلاب‌های زیست‌محیطی ـ هسته‌ای .....)، انرژی (بهبود تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، بهبود تبدیل انرژی هیدروژن به انرژی گرمائی، ذخیره ایمن هیدروژن)، ابزارهای نظامی و امنیت ملی (سلاح‌های جدید، هوشمندی بیشتر مهمات نظامی، ابزارهای محافظت در برابر سلاح‌های میکروبی و شیمیائی و تسلط بیشتر بر اطلاعات و ...)، علوم و مهندسی نانو، منجر به درک بهتر طبیعت، پیشرفت در پژوهش و آموزش پایه و تغییرات عمده در تولیدات صنعتی، اقتصاد بهداشت، مدیریت محیط زیست و حفظ منابع طبیعی خواهد شد. به‌گونه‌ای که در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده یک بازار جهانی بیش از ۱۰۰۰ میلیارد دلاری را ایجاد خواهد کرد و جهان را برای رسیدن به توسعه پایدار امیدوار ساخته است. علوم و فن‌آوری نانو، عنصری اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه‌های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آینده، همکاری‌های تحقیقاتی میان‌رشته‌ای، آموزش خاص و انتقال ایده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی دوام‌پذیری منابع کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست می‌باشد که منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پس‌آب و آلودگی را کاهش خواهد داد. هم‌چنین فن‌آوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفادهٔ مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تأثیر قابل ملاحظه‌ای، در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد، در ایجاد و درمان مسائل زیست‌محیطی از طریع کنترل انتشار آلاینده‌ها، در توسعهٔ فن‌آوری‌هیا سبز (Green technoligy) جدید که محصولات جانبی ناخواستهٔ کمتری دارند و یا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب‌، داشته باشد. لازم به ذکر است، نانو تکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگتر را دارد.
● پیشنهادات
نانوتکنولوژی دارای کاربرد بسیار زیادی در عرصه حفاظت از محیط زیست و کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی می‌باشد و کشور ما نیز در بخش حفاظت از محیط زیست قطعاً نیاز دارد، با برنامه‌ریزی بلندمدت، خود را با روند رو به رشد و اجتناب‌ناپذیر دنیا همراه سازد. به این منظور موارد زیر پیشنهاد می‌گردد:
▪ لحاظ نمودن نانو تکنولوژی به‌عنوان یکی از محورهای اولویت‌دار در برنامه دولت و سازمان حفاظت از محیط زیست.
▪ تدوین برنامه‌ای برای موفقیت در عرصه نانو تکنولوژی از سوی سازمان حفاظت از محیط زیست.
استفاده از توانائی تحقیقاتی مراکز علمی و دانشگاهی، مراکز پژوهشی و آموزش محققان و دانش‌پژوهان.
▪ راه‌اندازی واحدهای تحقیق و توسعه نانو تکنولوژی در سازمان حفاظت محیط زیست و کلیه ادارات کل حفاظت از محیط زیست استان‌ها.

مهندس علی رضائی، کارشناس ارشد مهندسی صنایع، رئیس واحد سیستم‌ها (SHEQ)
مهندس سعید شایان‌کیا، کارشناس محیط زیست واحد سیستم‌ها (SHEQ) ـ کارخانه سیمان سپاهان، (Safety Health,Environmental & Qality)
● منابع
Feyman,R.;There is plenty of room at the bottom; Caltech in institute,۱۹۵۹, URL
WTEC;Review U.S. R&D status and Trends in Nanoparticles,Nanostrured materials, and Nnodevices singel,R.,E.Hu,M.Roco and G.Holdrige, Loyola University,Baltimore, Maryland, ۱۹۹۷
www.Newscientist.com
www.smalltimes.com
wapmi.ir/new/nana.htm. ww
انجمن مطالعات پیشرفته علوم پایه
http://www.iasbs.ac.ir
iafahan.com/findex.htm
www.tco.ac.ir/nano
http://irannano.org
http://pershianblog.com

منبع : ماهنامه صنعت سیمان