مواد نانوکامپوزیت؛ سطح فناوری و کاربردها

1. مقدمه

نانوکامپوزیت جامد چندفازی است که یک یا چند فاز آن ابعادی در اندازه نانومتر دارند. این امر منجر به خواص منحصربه‌فردی در مقایسه با کامپوزیت‌های مرسوم می‌شود. خواص بهبودیافته نانوکامپوزیت‌ها شامل خواص مکانیکی بهتر، مقاومت شیمیایی بالا، کاهش نفوذ گازی، هدایت الکتریکی بالا در میزان کمتری از پرکننده‌ها در مقایسه با پرکننده‌های مرسوم، و همچنین قابلیت فرایند‌پذیری بهتر است. بیشتر پرکننده‌ها مانند خاک رس، کربن سیاه، نانولوله کربنی، کربید سیلیکون یا گرافندرون در ماتریس‌هایی از جنس پلیمر مانند پلی‌استر (Polyester)، اپوکسی (epoxy)، و پلی‌آمید (Polyamide) قرار می‌گیرند. خواص مواد سنتزشده به‌طور قابل ملاحظه‌ای به پرکننده‌ها بستگی دارد. این مطلب به‌خصوص برای نانوذرات صادق است. نانوذرات به‌طور قابل ملاحظه‌ای نسبت سطح به حجم بالایی دارند که منجر به واکنش‌پذیری بالای سطح آن‌ها می‌شود. همچنین، ماتریس‌های فلزی، سرامیکی، و کامپوزیت‌های بیولوژیکی نقش مهمی ایفا می‌کنند. برخی نانوکامپوزیت‌ها که تجزیه بیولوژیکی (non-biodegradable) نمی‌شوند تهدیدی برای طبیعت محسوب به شمار می‌آیند. در سال‌های اخیر، تحقیقات بر روی نانوکامپوزیت‌های پلیمری ـ بیولوژیکی که تجزیه می‌شوند گسترش یافته است، زیرا آن‌ها ما را از سوخت‌های فسیلی بی‌نیاز می‌کنند.

شکل ۱. کاربرد مواد نانوکامپوزیت

2. نانوکامپوزیت‌های بیولوژیکی

نانوکامپوزیت‌های بیولوژیکی مواد پلیمری‌ای هستند که از گیاهان، ماکروارگانیسم‌ها یا سایر فرایندهای بیولوژیک تهیه می‌شوند. نانوساختارهایی که به‌وسیله‌ خودسامانی (self-organization) تولید می‌شوند می‌توانند به‌عنوان مبنای عملکرد ویژه این مواد قرار بگیرند. برخی از جنبه‌های جالب کامپوزیت‌های بیولوژیک عبارت‌اند از:

• عاملیت شیمیایی (chemical functionality)؛• خودسامانی مولکول‌های بیولوژیک؛• سنتز و پراکندگی نانوساختارها در ماتریس.1.2. نانوکامپوزیت‌های بیواکتیو

شالوده‌های نانومتری غیرآلی (Inorganic nanosoles) می‌توانند جاسازی مواد بیواکتیو یا بیومولکول‌ها را در ماتریس‌هایی از جنس اکسید فلزی تسهیل کنند. نانوکامپوزیت‌های بیواکتیو قابلیت‌های قابل ملاحظه‌ای دارند. این قابلیت‌ها عبارت‌‌اند از:

• تقریباً تمام مولکول‌ها می‌توانند در ماتریس نشانده شوند؛

• خواص فیزیکی و شیمیایی مواد پر‌کننده به‌طور عمده بر ماتریس تاثیر ندارد.

شکل ۲. مصرف جهانی نانوکامپوزیت‌ها

کامپوزیت‌های بیواکتیو می‌توانند به‌صورت روکش، فیبر، یا ماده بالک مورد استفاده قرار بگیرند. همچنین، می‌توانند سازگاری بیولوژیکی (biocompatibility) سطح را بهبود بخشند. به‌علاوه، کامپوزیت‌های بیواکتیو می‌توانند خواص مکانیکی مشابه سطح طبیعی استخوان داشته باشند. هیدروکسی اپتایت (Hydroxyapatite) مثالی است که از نظر شیمیایی مشابه جز‍‍ء معدنی استخوان‌ها است. شاید هایدروکسی اپتایت یکی از معدود مواردی باشد که رشد داخلی استخوان را تقویت می‌کند؛ گاهی به‌عنوان پوشش برای فلزات کاشته‌شده (metallic implants) به‌کار می‌رود ولی می‌تواند به‌عنوان پرکننده استخوان نیز استفاده شود. یک شیوه نسبتاً جدید دیگر استفاده از bioglass based scaffold با پوشش نانولوله کربنی است. Bioglass ماده غیرآلی بایواکتیو است. ترکیب این ماده با نانولوله کربنی به‌صورت بالقوه می‌تواند در مهندسی بافت استخوان کاربرد داشته باشد. این کاربرد به‌دلیل قابلیت بالای بایواکتیو بودن این ماده، هدایت الکتریکی پایین، و زبری کم در سه بعد است.

3. نانوکامپوزیت‌های غیرآلی

نانوکامپوزیت‌های غیرآلی کلاس نوینی از مواد را نمایش می‌دهند. نانوکامپوزیت‌ها معمولاً خواص بالایی در مقایسه با کامپوزیت‌های کلاسیک دارند. این مواد نه‌تنها خواص مکانیکی بلکه خواص الکتریکی را با هزینه کمتر بهبود می‌بخشند. یکی از مثال‌های برجسته پیل‌های خورشیدی هستند که با روش‌های کم‌هزینه، مثل لایه‌نشانی، تهیه می‌شوند.

4. کاربرد مواد نانوکامپوزیت

1.4. باتری‌های یونی لیتیوم

باتری‌های یونی لیتیوم با دوام بالا، هزینه کم، و امنیت بالا به‌طور فزاینده‌ای به گسترش اتومبیل‌های هیبردی (hybrid vehicle) کمک می‌رسانند. مواد کامپوزیتی این پتانسیل را دارند که این خواسته‌ها را برآورده کنند. یک مثال برجسته از کمپانی Evonik Industry AG ـ که در حال حاضر باتری‌های لیتیوم GmbH تولید می‌کند ـ این است که تک‌غشای جدیدی برای جدا‌سازی الکترودهای باتری لیتیوم توسعه داده است. این غشای انعطاف‌پذیر با به‌کار بردن ذرات Al₂O₃/SiO₂ اجازه زینتر شدن در دمای پایین را می‌دهد که این امر ناشی از اثرات اندازه آن‌ها است. این نوع غشا امنیت و دوام باتری‌ها را افزایش می‌دهد. یکی دیگر از زمینه‌های تحقیقاتی فعال در حوزه باتری یونی بهینه‌سازی آند و کاتد به گونه‌ای است که ظرفیت باتری افزایش یابد. باتری‌های موجود با تکیه بر آند گرافیتی (graphite) ساخته می‌شوند. حتی با وجود آندهای سیلیکونی که ظرفیت بالاتری دارند، به‌دلیل وقوع پدیده واپاشی در آن‌ها، باز هم آندهای گرافیتی برای این کار مورد استفاده قرار می‌گیرند. محققان دانشگاه جورجیا با روش self-assembly برای کامپوزیت‌های سیلیکون ـ کربنی ظرفیتی ۵ برابر بزرگ‌تر از گرافیت ارائه کرده‌اند. این روش شانس جدیدی برای باتری‌های موثرتر نسل آینده است.

2.4. صنایع اتومبیل و هواپیمایی

صنایع هواپیمایی و اتومبیل‌سازی بهره فراوانی از مواد کامپوزیتی برده‌اند. مواد کامپوزیتی امکان کاهش وزن اجزای الکترونیکی و مکانیکی را فراهم می‌کنند. نانولوله کربنی به‌عنوان پر‌کننده در صنعت اتومبیل بیشتر برای سوخت و بدنه مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیستم‌های اپوکسی رزین (epoxy resin) به‌طور گسترده در صنایع اتومبیل و هواپیمایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

3.4. بسته‌بندی

نانوکامپوزیت‌ها در صنایع بسته‌بندی مختلفی، مثل بسته‌بندی مواد غذایی، مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهم‌ترین نانوکامپوزیت‌های مورد استفاده در این حوزه نانوکامپوزیت‌های پلیمری شامل ذرات رس هستند. استفاده از این مواد در بستهبندی مواد غذایی به این معنی است که غذا با محیط در تماس نخواهد بود. این بسته‌بندی مانع برهم‌کنش با محیط است ولی با غذا برهم‌کنش دارد و با این کار پایداری غذا را افزایش می‌دهد.

5. اثرات

1.5. اقتصادی و صنعتی

براساس تحقیقات BCC، مصرف جهانی نانوکامپوزیت‌ها در حدود ۱۱۸۷۶۸ تن به‌ارزش ۸۰۰ میلیون دلار در سال ۲۰۱۰ تخمین زده شده است. این رقم در سال ۲۰۱۱ به مصرف ۱۳۸۳۸۹ تن به‌ارزش ۹۲۰ میلیون دلار رسید. با رشد سالانه ۱۹درصد در واحد حجم و ۲۱درصد در واحد ارزشی، پیش‌بینی می‌شود بازار این محصولات تا سال ۲۰۱۶ به ۳۳۳۰۴۳ تن به‌ارزش 2/4 میلیون دلار رشد پیدا کند (شکل ۲). کاربرد اصلی این مواد در سال ۲۰۱۰ در اروپا ۳۵درصد در صنعت بسته‌بندی، ۳۰ درصد در صنعت اتومبیل، و ۵درصد در پوشش‌دهی بود.

1.1.5. سطح آمادگی فناوری

 

شکل ۳ کاربردهای تکامل‌یافته نانوکامپوزیت‌ها را نشان می‌دهد.

2.1.5. اثرات اجتماعی

اثر مواد نانوکامپوزیتی را از جنبه‌های مختلف می‌توان بررسی کرد. نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند در قطعات کاربردی جایگزین مواد بالک شوند و کل وزن را کاهش دهند. کاهش وزن در وسایل نقلیه می‌تواند منجر به کاهش مصرف انرژی و درنتیجه کاهش انتشار CO₂ شود. به‌علاوه، آن‌ها می‌توانند منجر به تولید ترکیباتی با سمیت و اشتعال‌پذیری کمتر شوند. امروزه، موادی که قابلیت تاخیر در اشتعال را دارند جزو استانداردهای امنیتی کشتی‌ها، هواپیماها، و قطارها هستند.

شکل ۳. سطح آمادگی فناوری برای کاربردهای معین به‌همراه پرکننده‌هایی از نانوکریستال‌ها

2.5. خطر سلامتی

نانوذرات می‌توانند خواصی متفاوت نسبت به ذرات در اندازه معمولی نشان دهند. به همان نسبت، باید اثر آن‌ها بر سلامتی بشر در نظر گرفته شود. اساساً تماس بشر به‌وسیله‌ دهان، پوست یا ریه (از طریق دارو یا تغذیه) است. ارگانیسم‌ها - مانند جگر، مغز، کلیه، و قلب - می‌توانند از آن‌ها تاثیر بپذیرند و سمیت حاصل به‌صورت تغییر شکل سلول یا کاهش رشد سلولی ظاهر شود. میزان سمیت و نفوذ نانوذرات در سیستم‌های بیولوژیک به خواص نانوذرات - به‌خصوص اندازه، مورفولوژی، حلالیت، پایداری، و غلظت آن‌ها - بستگی دارد. سمیت بالقوه این دسته از نانوساختارها به‌وسیله روش‌های مختلف شیمیایی مانند عملیات سطحی، عاملدار کردن، و کامپوزیت کردن قابل کنترل است.

شکل ۴. کاربردهای بین‌المللی براساس کشورها

شکل ۵. کاربردهای بین‌المللی براساس سال

6. چالش‌ها

یکی از مشکلات تجاری‌سازی نانوکامپوزیت‌ها هزینه بالای اکثر پر‌کننده‌ها است. به‌علاوه، فرایند تولید این مواد بسیار سخت‌تر از فرایند تولید مواد در اندازه ماکرو است. به‌ویژه، دستیابی به توزیع یکنواخت مواد پر‌کننده چندان آسان نیست. توزیع پرکننده‌ها را می‌توان با اعمال پوششی از فیلم نازک به دور آن‌ها بهبود بخشید، اگرچه اعمال پوشش به دور ذرات نیز خود فرایند پیچیده‌ای است. از این گذشته، کاربرد نانوکامپوزیت‌ها در بسته‌بندی غذا امری حساس است. مثلاً، گروه نمایندگی ایمنی غذا UK به سود بالقوه فناوری نانو در بسته‌بندی غذا اذعان دارد، ولی این سؤال مطرح است که مصرف‌کننده‌ها بیشتر سود می‌بردند یا تولیدکننده‌ها. در ۱۰ سال گذشته، نانوکامپوزیت‌ها با موفقیت وارد بازار شده‌اند و با رشد دورقمی دورنمای آینده آن‌ها عالی است. اروپا ظرفیت مصرفی معادل یک‌سوم کل مصرف جهان دارد و با داشتن پایگاه تحیقاتی قوی جایگاه خوبی را دارا است.