در سال‌های اخیر، نانوالیاف و مواد نانوالیافی به دلیل نقشی که در مبارزه با همه‌گیری جهانی دارند، توجه روز افزونی را به خود جلب کرده‌اند، زیرا در پیشرفته‌ترین ماسک‌های صورت از آنها استفاده شده‌است. با این حال، فناوری نانوالیاف کاربردهای زیادی دارد که می تواند زندگی ما را به روش های مختلف بهبود ببخشد. قبلا در مقاله ای با عنوان عملکرد هوشمندانه ماسک های نانوالیاف، مطالبی در رابطه با چگونگی به دام افتادن ذرات با اندازه های گوناگون در این دسته از ماسک ها ارائه کردیم. در این مقاله به بررسی تاریخچه نانوالیاف، خواص و کاربرد آنها در زمینه های مختلف می پردازیم.
نانوالیاف چیست؟
نانوالیاف فیبرهای بسیار کوچک و سبک وزن با قطری متغیر در محدوده ی ده ها نانومتر تا یک میکرومتر هستند. برای درک این ابعاد، قطر موی انسان حدود 75 میکرومتر است، بنابراین نانوالیاف بسیار کوچک هستند. در حقیقت، با برای پیچیدن نانو الیاف به دور خط استوای زمین، که مسافتی در حدود 40000 کیلومتر می باشد، کمی بیشتر از یک گرم نانوالیاف کافی است. نانوالیاف دارای خواص منحصر به فردی هستند که آنها را در زمینه های گوناگون از جمله پزشکی، آرایشی و بهداشتی، صنعت نساجی و فیلتر کردن و تصفیه مفید می کند.
برخی از خواص اصلی مواد نانوالیافی عبارتند از:
- تخلخل بالا
- حجم زیاد منافذ
- چگالی پایین
- قابلیت بالای عبور دادن هوا
- نسبت بالای سطح به جرم
مواد نانوالیافی را می توان به راحتی با مواد دیگر ترکیب کرد که باعث می شود آنها در طیف وسیعی از کاربردها تطبیق پذیر و مفید باشند. این ویژگی ها باعث می شود که مواد نانو الیاف در صنایعی مانند نساجی، مراقبت های بهداشتی، ذخیره انرژی و غیره ارزشمند شوند.
تاریخچه مختصر فناوری نانوالیاف
اگرچه نانوالیاف بدون شک فناوری آینده هستند، اما برای مدت طولانی با ما بوده اند. بر اساس اکتشافات و دست نوشته های فیزیکدان انگلیسی Ch. V. Boyse از سال 1887، که به توسعه نانوالیاف و نحوه تولید آنها می پرداخت، اولین اختراع مدرن برای ریسندگی الکترواستاتیک در حدود سال 1900 توسط مخترعان آمریکایی W. J. Morton و J. F. Cooley ثبت شد. ایده های آنها در اوایل دهه 1990 توسط یک سری مقالات معتبر در مورد ریسندگی بسیاری از مواد پلیمری توسط فردی آمریکایی به نام D. Reneker از دانشگاه اکرون در اوهایو احیا شد که منجر به تحقیقات فشرده شد.
بنابراین نانوالیاف برای اولین بار توسط دانشمندان در نیمه اول قرن بیستم تولید شدند. با این حال، فناوری های محدود آن زمان به آنها اجازه تولید حجم زیاد نانوالیاف را نمی داد و بنابراین امکان تولید صنعتی وجود نداشت. در اواخر قرن بیستم و اوایل قرن بیست و یکم بود که فناوری به سطح مورد نیاز رسید و امکان تولید مقادیر زیادی نانوالیاف را فراهم نمود و درها را به روی دنیای صنعت باز کرد.
جمهوری چک زادگاه تولید نانو الیاف صنعتی
در حالی جمهوری چک پیشرو جهانی در کاربرد فناوری نانوالیاف است. در سال 2003، تیمی به سرپرستی پروفسور Oldřich Jirsák در دانشگاه فنی لیبرک، فناوری Nanospider را توسعه دادند که امکان تولید صنعتی منسوجات بدون بافت از نانوالیاف با قطر 20 تا 500 نانومتر را فراهم می کند.
برخلاف روش‌های قبلی، فناوری Nanospider از نازل یا مویرگ برای ایجاد الیاف استفاده نمی‌کند. در عوض، متکی به چرخش یک استوانه در محلول پلیمری است که یک لایه نازک روی سطح سیلندر ایجاد می کند. این فیلم سپس با استفاده از پدیده های فیزیکی به نانوالیاف تنیده می شود.
اولین دستگاه Nanospider برای تولید نانوالیاف صنعتی در سال 2005 عرضه شد. مجوز این فناوری متعلق به شرکت Elmarco است که در آن زمان تنها تولید کننده ماشین آلات تولید منسوجات بدون بافت از نانوالیاف در جهان بود.
روش ساخت نانو الیاف
اگرچه نانوالیاف از مواد طبیعی یا مصنوعی مانند سلولز، کراتین، کلاژن یا اسید هیالورونیک که معمولا در بدن انسان یافت می‌شود، ساخته می‌شوند، اما همچنین از پلی‌آمید 6، PLA، پلی‌اورتان، PHB، PCL و بسیاری از مواد خام دیگر نیز تشکیل می‌شوند که خواص منحصر به فرد خود را به نانوالیاف می دهند.
ماده اولیه برای تولید نانو الیاف یک پلیمر طبیعی یا مصنوعی است که معمولاً به صورت محلول یا مذاب است. امروزه روش های زیادی برای تهیه لایه نانوالیاف وجود دارد.
متداول ترین روش های تولید نانوالیاف عبارتند از:
- چرخش گریز از مرکز
- ملت بلون
- چرخش الکترواستاتیک
- کشش
- جداسازی فاز
- چرخش فشاری
- روش هیدروترمال
البته همه این روش ها از نظر صنعتی قابل اجرا نیستند. متداول ترین روش مورد استفاده، الکتروریسی (ریسندگی الکترواستاتیکی) است که از ولتاژ بالا استفاده می کند تا قطرات محلول پلیمری به معنای واقعی کلمه فیبر را به بیرون پرتاب کند. سپس فیبر شروع به کشش و باریک شدن در یک میدان الکتریکی می کند تا زمانی که به قطرهای بسیار نازک در ابعاد نانو برسد، در حالی که حلال تبخیر شده و نانوالیاف جامد تشکیل می شود.
خط تولید Nanospider بر اساس همین اصل عمل می کند و قادر است مقدار زیادی نانوالیاف با کیفیت بالا تولید کند.
جدیدترین روش تولید نانوالیاف ریسندگی هیبریدی نام دارد که الکترواستاتیک، ریسندگی گریز از مرکز و تحت فشار را ترکیب می‌کند. این تجهیزات ویژه ریسندگی امکان چرخش همزمان حداکثر چهار محلول مختلف ریسندگی را فراهم می کند و به طور موثر انواع مختلف پلیمرها را در یک لایه پوششی ترکیب می کند.
فناوری نانوالیاف: پیشرفت انقلابی در حفظ سلامت و درمان؟
فناوری نانوالیاف مرزهای جدیدی را در زمینه حفاظت از سلامت و درمان گشوده است و امکاناتی را ارائه می‌کند که قبلاً غیرقابل تصور بود که در سال های اخیر، به بخشی ضروری از پیشگیری از کووید-19 تبدیل شده است. منافذ بین فیبرها به قدری ریز هستند (با ابعاد تنها حدود 20 تا 100 نانومتر) که ویروس ها، باکتری ها یا مواد آلرژی زا هیچ شانسی برای نفوذ ندارند.
در مقایسه با ماسک‌های معمولی صورت، ماسک‌های تنفسی FFP3 با لایه پوششی نانوالیاف محافظت و قابلیت تنفس عالی را ارائه میکنند.
فناوری نانوالیاف به عنوان ابزاری موثر در تصفیه هوا
ثابت شده است که فناوری لایه پوششی نانوالیاف ابزاری موثر در تصفیه هوا است. منافذ ریز درون لایه پوششی باعث می شود تا به طور موثر طیف گسترده ای از ذرات و آلاینده ها را از هوا از جمله مواد آلرژی زا، باکتری ها و ویروس ها جذب و فیلتر کند. این امر آن را به گزینه ای ایده آل برای تصفیه کننده های هوا و همچنین کاربردهای دیگر مانند سیستم های تصفیه هوا در بیمارستان ها و سایر محیط های حساس تبدیل می کند. علاوه بر اثربخشی، فناوری لایه پوششی نانوالیاف نیز بسیار بادوام است و به راحتی تمیز می شود و آن را به یک راه حل مناسب و طولانی مدت برای تصفیه هوا تبدیل می کند.
فناوری نانوالیاف برای ترمیم زخم
فناوری نانوالیاف این پتانسیل را دارد که روش درمان جراحات و ترویج درمان را متحول کند. یکی از امیدوارکننده ترین کاربردهای این فناوری در توسعه بانداژ و پانسمان زخم است. این باندها از یک لایه پوششی نانوالیاف متخلخل ساخته شده‌اند که به طور موثری ورود باکتری‌ها و سایر آلاینده‌ها را مسدود می‌کند، در حالی که به زخم اجازه تنفس می‌دهد و جریان اکسیژن و سایر مواد مغذی لازم برای بهبودی را تسهیل می‌کند.
این باندهای نانوالیافی علاوه بر خاصیت محافظتی خود، روند بهبودی را از طرق مختلفی ارتقا می دهند. تخلخل بالای لایه پوششی امکان حذف موثر ترشحات زخم را فراهم می کند و از تجمع مواد مضری که مانع روند بهبود می شوند یا آن را کند میکنند، جلوگیری می کند. سطح بزرگ لایه پوششی همچنین امکان انتقال مؤثر داروها و سایر عوامل درمانی را مستقیماً به محل زخم فراهم می کند.
فناوری نانوالیاف برای استفاده در درمان عفونت‌های قارچی مانند پای ورزشکاران نیز در حال بررسی است. در این کاربردها، تخلخل بالا و سطح بزرگ لایه پوششی نانوالیاف به آن اجازه می‌دهد تا به طور موثر سلول‌های قارچی را جذب و خنثی کند، در حالی که امکان تحویل موثر داروهای ضد قارچ را نیز فراهم می‌کند.
به طور کلی، خواص منحصر به فرد فناوری نانوالیاف، امکانات هیجان انگیزی را برای درمان و تسریع بهبود زخم ارائه می دهد. با تحقیق و توسعه بیشتر، این احتمال وجود دارد که شاهد افزایش تعداد کاربردهای این فناوری در زمینه های پزشکی و مراقبت های بهداشتی باشیم.
آنها همچنین در مهندسی بافت استفاده می شوند و نقش مهمی در ساخت “داربست” برای رشد سلول های بافتی و آماده سازی اندام های جایگزین دارند.
نانوالیاف در کدام محصولات یافت می شود؟
در سال‌های اخیر، نانوالیاف سرانجام جایگاه شایسته خود را در کانون توجه عموم مردم به دست آورده‌اند و اکنون تقریباً در همه صنایع یافت می‌شوند. آنها نقش مهمی در پزشکی، بیوتکنولوژی، شیمی، صنایع غذایی و نساجی، آرایشی و بهداشتی و انرژی دارند.
لایه های پوششی نانوالیافی به دلیل خاصیت حفاظتی و فیلتراسیون منحصر به فرد در کاربردهای فنی و پزشکی مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. محصولاتی که در آن ها این لایه های پوششی یافت می شود عبارتند از:
- ماسک صورت با لایه نانوالیاف
- ملحفه ضد گرد و غبار ساخته شده با نانو پارچه
- فیلترهای تهویه مطبوع
- کیسه های خواب
- پشه بند با لایه پوششی نانو
- ماسک های ورقه ای ضد چروک صورت
- دستگاه های تصفیه هوا
آیا نانوالیاف ایمن هستند؟
ترسیدن و نگران بودن از هر چیز جدید و ناشناخته طبیعی است. توجه به این نکته مهم است که نانو الیاف بسیار بزرگتر از نانوذرات هستند. ضخامت آنها معمولاً از 100 تا 800 نانومتر است و یک لایه پوششی نانوالیافی را می توان با چشم غیر مسلح مشاهده کرد.
ایمن بودن نانوالیاف بستگی به موادی دارد که از آن ساخته شده اند. همانطور که اشاره شد، نانوالیاف را می توان از مواد طبیعی یا مصنوعی ساخت. بنابراین، اگر از مواد ایمن ساخته شده باشند و در محیط زیست رها نشوند، برای سلامتی انسان و محیط زیست ضرری ندارند.
در اروپا، محصولات نهایی ساخته شده از نانو الیاف به دقت و سخت گیرانه بر اساس قوانین ایمنی آزمایش می شوند. ماسک های نانوکسین نیز بر اساس استاندارد EN-149 اروپا تولید شده و گواهی های لازم را دریافت نموده است. پس چیزی برای ترسیدن وجود ندارد و شما می توانید از قابلیت محافظت عالی و سایر ویژگی های درجه یک آنها لذت ببرید.
آینده نانو الیاف چگونه است؟
نانوالیاف آینده روشنی دارند و احتمالاً در تمام مناطق صنعتی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. از آنجایی که نانوالیاف را می‌توان از اجزا صد درصد طبیعی نیز تهیه کرد، می‌توان نانوالیاف را به ابریشم و گیاهان نیز اضافه نمود و استفاده از آنها در لوازم آرایشی، صنایع غذایی و پزشکی بیشتر و بیشتر خواهد شد. مزیت بی چون و چرای نانوالیاف، تولید بدون ضایعات و استخراج بسیار بیشتر از مواد فعال است.
نانوالیاف پتانسیل بالایی در صنایع غذایی دارند، از هم اکنون مشخص است که نانوالیاف نقش مهمی در تولید گوشت مصنوعی خواهند داشت. حتی می توان استفاده بیشتری از آن را متصور شد؛ به عنوان مثال در کشاورزی می توان از آنها برای بهبود کارایی کود استفاده کرد، که باعث صرفه جویی در هزینه و محافظت از محیط زیست می شود.
لایه های پوششی نانو الیافی در حال حاضر ثابت کرده‌اند که قوی‌ترین روش فیلتر هوا و آب بوده و دوست دار محیط زیست‌ترین هستند و در صنعت نساجی نیز موفق بوده‌اند، جایی که در منسوجات پزشکی استفاده می‌شوند.
نانوالیاف به طور روز افزون در زمینه ساخت و ساز کاربرد دارد، جایی که می توان از آنها به عنوان افزودنی برای بهبود خواص مواد استفاده کرد.