امروزه پيشرفت تکنولوژي و دستيابي انسان به روش‏هاي نوين براي استفاده از منابع طبيعي دستاوردهايي را به همراه دارد که علاوه بر تاثيرات فراوان در زندگي بشر، تاثيراتي منفي را نيز براي طبيعت به ارمغان مي‏آورد.
به تازگي انسان متمدن به اين تفکر رسيده است که شايد بتوان با استفاده از تکنولوژي مدرن و پيشرفته به کمک منابع طبيعي و محيطزيست شتابد که ازجمله آنها مي‏توان به فناوري نانو و کاربرد آن در حفظ محيطزيست اشاره کرد.
تاثيرات مستقيم و غيرمستقيم فناوري نانو بر محيط زيست، از جنبه‏هاي مختلف قابل بررسي است. در حال حاضر، مي‏توان موارد متعددي از کاربرد مواد نانو ساختاري در حفظ محيطزيست، از قبيل نانوفيلترها (براي تصفيه پساب‏هاي صنعتي)، نانوپودرها (براي تصفيه گازهاي آلاينده خروجي از خودروها و واحدهاي صنعتي) و نانوتيوب‏ها (براي ذخيره‏سازي سوخت کاملا تميز هيدروژن) را برشمرد، اما دورنماي استفاده از اين فناوري نوين بسيار گسترده‏تر از اين گونه کاربردهاي جزئي و مقطعي است. برخي از مهم‏ترين کاربردهاي علمي شناخته شده فناوري نانو در زمينه محيطزيست نانوحسگرها، نانوفيلترها و کاتاليزورهاي زيست‏محيطي هستند که به ترتيب به آنها اشاره مي‏شود:

نانوحسگرها

نانوحسگر وسيله‏اي است بسيار ريز که قادر به شناسايي و ارائه پاسخ به محرک‏هاي فيزيکي در مقياس يک نانومتر است. نانوحسگرها کاربردهاي متعددي در علوم مختلف ازجمله محيط زيست يافته‏اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.

آلودگي هوا

يکي از نيازهاي مهم و اساسي در ارتباط با کنترل آلودگي محيطزيست، پايش مستمر آلودگي هواست. با استفاده از نانوحسگرها پيشرفت موثري در زمينه کنترل آلودگي هوإ؛ ّّ= صورت گرفت. با اختراع اولين نمونه‏هاي غبار هوشمند، توليد اين گونه حسگرها به مرحله کاربرد علمي نزديک شد. هدف اصلي از ساخت غبارهاي هوشمند، توليد مجموعه‏اي از حسگرهاي پيشرفته به صورت نانو رايانه‏هاي بسيار سبک است. اين نانوحسگرها به راحتي ساعت‏ها در هوا معلق باقي مي‏مانند. اين ذرات بسيار ريز از سيليکون ساخته مي‏شوند و مي‏توانند از طريق بي‏سيم موجود در خود، اطلاعات جمع‏آوري شده را به يک پايگاه مرکزي ارسال کنند. سرعت انتقال اطلاعات در نمونه‏هاي اوليه حدود يک کيلوبايت در ثانيه است.

نشت گازهاي مهلک

نشت گازهاي مهلک يکي از خطرات روزمره زندگي صنعتي است. متاسفانه هشداردهنده‏هاي موجود در صنعت اغلب بسيار دير موفق به شناسايي اين گونه گازهاي نشتي مي‏شوند. اين نوع حسگرها از نانوتيوب‏هاي تک لايه به ضخامت حدود يک نانومتر ساخته شده‏اند و مي‏توانند مولکولهاي گازهاي سمي را جذب کنند. آنها همچنين قادر به شناسايي تعداد معدودي از مولکولهاي گازهاي مهلک در محيط هستند. محققان مدعي‏اند که اين حسگرها براي شناسايي به هنگام گازهاي بيوشيميايي جنگي، آلاينده‏هاي هوا و حتي مولکولهاي آلي موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

نانوفيلترها

يکي ديگر از کاربردهاي مهم فناوري نانو در محيط زيست، استفاده از نانوفيلترها در تصفيه آب و پساب است. غشاي مورد استفاده در فرايند نانوفيلتراسيون معمولا مولکول‏هاي بزرگ را دفع مي‏کند و در مقايسه با روش‏هاي ديگر قادرند با صرف انرژي کمتر آب چاه‏ها يا آب‏هاي سطحي را نيز به خوبي تصفيه کنند. اين فرايند قادر است انواع باکتري‏ها، ويروس‏ها، آفت‏کش‏ها، آلاينده‏هايي با منشا آلي و املاح کلسيم و منيزيم را از آب جدا کند. نظر به اين که در فرايند نانوفيلتراسيون از هيچ ماده شيميايي براي سختي‏گيري آب استفاده نمي‏شود، بنابراين اثرات منفي زيست‏محيطي آن به مراتب کمتر از روش‏هاي شيميايي معمول است.
علاوه بر اين، ذرات نانوساختار انعطاف‏پذيري زيادي در تصفيه آلاينده‏ها دارند. به عنوان مثال از ذرات نانوساختار براي تصفيه فوري خاک، رسوبات، ضايعات جامد، تصفيه آب و پسماندهاي مايع استفاده مي‏شود. تحقيقات نشان مي‏دهد که ذرات دوفلزي نانوساختار مانند آهن - پالاديم، آهن - نقره و روي - پالاديم کاربردهاي زيادي در تصفيه و پالايش آلوده‏کننده‏هاي محيط زيست، مانند آفت‏کش‏هاي کلرينه با منشا آلي و حلال‏هاي آلي هالوژنه يافته‏اند.
تجربه نشان داده است که استفاده از ذرات نانوساختار دو فلزي موجب مي‏شود تا کليه هيدروکربن‏هاي حاوي ترکيبات کلردار که بسيار سمي‏اند به هيدروکربن‏هاي بي‏خطر براي محيط زيست تبديل شوند.
به علاوه، شواهد بسيار مبين اين واقعيت است که ذرات نانوساختار با پايه آهني، قادر به تجزيه آلودگي‏هاي بسيار پايدار همچون ترکيبات پرکلرات‏ها، نيترات‏ها، فلزات سنگين (نيکل و جيوه) و مواد راديواکتيو مانند دي اکسيد اورانيوم هستند.
علاوه بر اين مي‏توان از نانوساختارها براي رنگ‏زدايي از آب آشاميدني استفاده کرد. رنگ موجود در آب آشاميدني نه تنها به خاطر ظاهر آن بايد از آب زدوده شود، بلکه چون اين رنگ‏ها مي‏توانند منشا توليدتري هالومتان نيز باشند، بسيار خطرناک محسوب مي‏شوند. اين ماده هنگام ترکيب با کلر موجب تشکيل کلروفرم و ديگر ترکيبات هالوژنه مضر و سرطان‏زا مي‏شوند. رنگ موجود در آب طبيعي معمولا ناشي از وجود اسيدهاي معدني است. اسيدهاي مذکور از تجزيه مواد آلي موجود در آب حاصل مي‏شوند. اغلب روش‏هاي متداول براي تصفيه آب قادر به جداسازي مواد فوق نيستند، ليکن با استفاده از غشاهاي نانو مي‏توان تا 99 درصد اين گونه مواد را به سهولت از آب جدا کرد. همچنين تحقيقات نشان مي‏دهد استفاده از فناوري نانو در تصفيه آب مي‏تواند هزينه‏هاي تصفيه را تا حدود زيادي کاهش دهد.

نانوپليمرهاي متخلخل

هنگامي که آلاينده‏هاي آلي آب گريز از طريق آب وارد خاک مي‏شوند، به راحتي توسط ذرات جامد غيرمحلول در آب جذب و از آب جدا مي‏شوند. پديده جذب و دفع اين گونه آلاينده‏ها از آب به خاک و از خاک به هوا بسيار پيچيده است و به عوامل متعددي از قبيل حلاليت در آب، آب موجود در شبکه خاک و رقابت اجزاي مختلف خاک براي جذب اين ذرات بستگي دارد. هنگامي که بيش از يک مولکول آب گريز در محيط وجود داشته باشد، مولکول‏هاي آلاينده به جسمي متصل مي‏شوند که از لحاظ شيميايي بيشترين شباهت را به آنها داشته باشد. به همين دليل نانوپليمرهاي متخلخل که شباهت زيادي به مولکولهاي مواد آلاينده دارند، مناسب‏ترين وسيله براي جداسازي اين نوع آلاينده‏هاي آلي از آب و خاک به شمار مي‏روند. به طور کلي کاربردهاي زيست‏محيطي اين نانوساختارها عبارتند از:
1 - جداسازي آلاينده‏هاي آلي از آب آشاميدني.
2 - تصفيه پسابهاي واحدهاي صنعتي مانند نيروگاه‏هاي هسته‏اي براي استفاده مجدد از آنها
3 - پاکسازي منابع آبي آلوده شده به مواد نفتي
4 - پاکسازي منابع آب زيرزميني از آلاينده‏هاي آلي
با توجه به اين که نانوپليمرهاي متخلخل به کرات مورد استفاده قرار مي‏گيرند، بنابراين هزينه‏هاي تصفيه به مراتب کمتر مي‏شود.

کاتاليست‏هاي زيست محيطي

از زمينه‏هاي ديگر کاربردهاي مواد نانوساختاري، استفاده از آنها به عنوان کاتاليزورهاي زيست محيطي براي تصفيه خروجي اگزوز اتومبيل‏ها و پالايش آب و هواست. کاتاليزورهاي رايج که اغلب پايه پلاتين دارند، اگرچه راندمانشان کافي است، اما بسيار گران قيمت‏اند. به همين جهت کاتاليزورهاي نانوساختاري به عنوان جايگزين ارزان قيمت کاتاليزورهاي ياد شده مورد توجه قرار گرفته‏اند.

پليمرهاي زيستي

از نانوساختارهايي مثل پليمرهاي زيستي مي‏توان براي توليد تراشه‏هاي الکترونيکي استفاده کرد. طبق اطلاعات موجود، براي توليد هر گرم ريزتراشه 32 مگابايتي، به مصرف 85 گرم سوخت فسيلي و مواد شيميايي و 16 کيلوگرم آب نياز است. با استفاده از فرايندهاي نانو مي‏توان شيوه مرسوم در توليد تراشه‏هاي نيمه هادي را تا حد بسيار زيادي بهبود بخشيد. علاوه بر اين، استفاده از فناوري نانو منجر به توليد مواد بي خطر به جاي مواد سمي مي‏شود.
براي مثال، مانيتورهاي ساخته شده از مواد نانوساختار بسيار کم خطرتر از انواع مشابه ساخته شده از لوله‏هاي اشعه کاتدي (که حاوي مواد سمي‏اند) است و راندمان بالاتري هم دارد. نمايشگرهاي ساخته شده از کريستال مايع ضمن کوچک بودن حاوي سرب نيستند و مصرف انرژي آنها بسيار کمتر از انواع مشابه کاتدي است. علاوه بر اين استفاده از نانولوله‏هاي کربني در نمايشگرهاي کامپيوتري به کاهش مصرف فلزات سنگين در آنها کمک مي‏کند و از اين طريق از آسيب به محيط زيست مي‏کاهد.

نانوفيلترها

الکل‏هايي مانند اتانول به عنوان حلال يا ماده پاک‏کننده به وفور در صنايع مورد استفاده قرار مي‏گيرند. اين مواد در حين مصرف مقادير زيادي از ناخالصي‏هاي مختلف را به خود جذب مي‏کنند. با توجه به اين که دور ريختن آنها پس از مصرف، اثرات زيانباري بر محيطزيست دارد، بايد براي استفاده مجدد تصفيه شوند. روش‏هاي متداول از قبيل تقطير، ضمن آلوده کردن محيط زيست انرژي زيادي را تلف مي‏کنند. استفاده از نانوفيلترها گام موثري در حفاظت محيط زيست و صرفه‏جويي انرژي در اين زمينه است.

نانوپوشش‏ها

پوشش‏هاي نانوساختاري پيشرفته به خوبي بر سطوح مختلف از قبيل فلزات، شيشه، سراميک و پلاستيک مي‏چسبند و تنها چند ميکرون ضخامت دارند، ويژگي بارز اين نانوپوششگرها خاصيت ضدخوردگي آنهاست که کاربرد پوششي آنها را در فلزات سبک از قبيل آلومينيم و منيزيم افزايش داده است. پوشش‏هاي ياد شده، در مقابل حرارت بسيار مقاومند و مي‏توانند دما را تا 700 درجه سانتي‏گراد تحمل کنند. استفاده از اين نوع پوششگرها منجر به کاهش خوردگي فلزات مي‏شود و در نهايت، محيط زيست را با کاهش ميزان مصرف مواد خام حفظ خواهد کرد.
کاربرد ديگر پوششگرهاي نانوساختاري، در حذف گرد و غبار از روي سطوح مختلف و کاهش مصرف پاک‏کننده‏هاست. اين نانوذرات را به صورت يک لايه بسيار نازک براي روکش کردن سطوح مختلف از قبيل شيشه اتومبيل‏ها به کار مي‏برند. بدين ترتيب کشش سطحي اين سطح نسبت به محلول‏هاي آبدار به شدت کاهش مي‏يابد. در نتيجه، مايع مذکور سطح پوشش داده شده را خيس نمي‏کند و به صورت قطراتي روي آن باقي مي‏ماند و به سرعت زدوده مي‏شود. اين عمل فرايند خشک شدن را سرعت مي‏دهد. بديهي است که مصرف مواد شوينده به شدت کاهش مي‏يابد و از آلودگي محيطزيست جلوگيري به عمل مي‏آيد.

نانوپودرها

نانوپودرها موادي به شدت فعال‏اند که در دماي پايين ذوب يا آلياژ مي‏شوند. اين پودرها در فرايندهاي قالب‏گيري تزريقي و پوشش دادن سطوح مختلف مورد استفاده قرار مي‏گيرند. نوعي از پودرهاي نانوساختاري ياد شده که حاوي ذرات ريز آلومينيوم است، در صورت افزوده شدن به سوخت‏هاي جامد موشک‏ها شدت سوختن آنها را تا دو برابر افزايش مي‏دهد. اضافه کردن اين پودر به نفت سفيد باعث تسريع در احتراق آن و درنتيجه کاهش توليد آلاينده‏هاي مختلف مي‏شود.
آنچه از توانمندي‏هاي فناوري نانو ارائه شد به اين معني است که مي‏توان از اين روش‏ها براي حفظ محيط زيست در آينده‏اي نه چندان دور استفاده کرد و در کنار استفاده از منابع طبيعي با کمک فناوري‏هاي پيشرفته بتوان به تعاملي پايدار با طبيعت رسيد.
منبع: باشگاه الکترونيکي بنياد توسعه فردا
/خ