به گزارش خبرگزاری ایمنا، در عصری که بحران‌های زیست‌محیطی و اقتصادی، جهان را با چالش‌های بی‌سابقه‌ای روبه‌رو کرده است، فناوری‌های نوین همچون نانوحباب‌ها به عنوان راهکاری امیدبخش در حل این مسائل مطرح شده‌اند. این ساختارهای میکروسکوپی با ابعادی در محدوده چند ده تا چند صد نانومتر، نه تنها به دلیل اندازه فوق‌ریز، بلکه به خاطر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فردشان، تحولی در صنایعی همچون تصفیه آب، کشاورزی، پزشکی و انرژی ایجاد کرده‌اند. یکی از کلیدی‌ترین ویژگی‌های نانوحباب‌ها، بار سطحی منفی است که موجب ایجاد نیروی دافعه بین آن‌ها شده و پایداری غیرمنتظره‌ای در محیط‌های مایع به وجود می‌آورد. این پایداری، زمان ماندگاری آن‌ها را تا چندین ماه افزایش می‌دهد، برخلاف حباب‌های معمولی که در عرض ثانیه‌ها ناپدید می‌شوند.
ساختار داخلی نانوحباب‌ها نیز شگفت‌انگیز است، این حباب‌ها از یک هسته گازی (همچون اکسیژن، ازون، یا هیدروژن) تشکیل شده‌اند که توسط لایه‌ای از مولکول‌های آب با آرایش خاص احاطه شده است. این پوشش آبی، به دلیل وجود نیروهای دوقطبی و برهمکنش‌های الکترواستاتیک، از فروپاشی سریع حباب جلوگیری می‌کند. در برخی موارد، افزودن مواد فعال سطحی یا نانوذرات فلزی به محیط مایع، این پوشش را تقویت کرده و کاربردهای نانوحباب‌ها را گسترش می‌دهد. برای مثال، در حوزه پزشکی، نانوحباب‌های حاوی گازهای بی‌اثر می‌توانند به عنوان حامل‌های هدفمند دارو به بافت‌های توموری رسیده و با تحریک امواج فراصوت، آزادسازی دارو را کنترل کنند.
از تئوری تا عمل
تولید نانوحباب‌ها نیازمند فناوری‌های پیشرفته است. یکی از رایج‌ترین روش‌ها، تزریق فشار گاز به مایع است. در این فرآیند، گاز تحت فشار بالا به صورت ریز و یکنواخت در مایع پخش می‌شود و با کاهش ناگهانی فشار، حباب‌های نانومتری تشکیل می‌شوند. روش دیگر، استفاده از امواج فراصوت با فرکانس بالا است که با ایجاد کاویتاسیون در مایع، حباب‌های ریز تولید می‌کند، همچنین الکترولیز آب نیز با تولید گازهای هیدروژن و اکسیژن در سطح الکترودها، نانوحباب‌ها را به وجود می‌آورد. انتخاب روش تولید به عواملی همچون نوع گاز، کاربرد نهایی، و مقیاس تولید بستگی دارد. برای نمونه، در تصفیه فاضلاب‌های صنعتی، از نانوحباب‌های ازون برای اکسیداسیون آلاینده‌های آلی استفاده می‌شود که به دلیل سطح تماس بالا، بازدهی تصفیه را تا ۷۰ درصد افزایش می‌دهند.
کاربردهای انقلابی نانوحباب‌ها در صنایع
نانوحباب‌ها در کشاورزی پایدار نیز نقش کلیدی ایفا می‌کنند. تزریق نانوحباب‌های اکسیژن به آب آبیاری، ریشه گیاهان را تقویت کرده و جذب مواد مغذی را بهبود می‌بخشد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این روش می‌تواند عملکرد محصولات زراعی را تا ۲۰ درصد افزایش دهد. در حوزه انرژی، نانوحباب‌های هیدروژنی به عنوان حامل‌های ذخیره انرژی در پیل‌های سوختی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، همچنین در صنایع غذایی، از این فناوری برای افزایش ماندگاری محصولات با کاهش اکسیداسیون چربی‌ها استفاده می‌شود.
سعید صالحی، پژوهشگر حوزه نانو و عضو سابق که بیش از ۱۵ سال است روی نانوحباب‌ها و کاربردهای آن‌ها مطالعه می‌کند، موفق به ثبت ۱۰ اختراع بین‌المللی در زمینه روش‌های نوین تولید و بهینه‌سازی این ساختارها شده است. وی در پروژه‌ای مشترک با سازمان‌های مختلف کار کرده و از نانومواد برای تصفیه آب در مناطق محروم استفاده کرده که نتایج این طرح در نشریه معتبر بین‌المللی منتشر شده است. آنچه در ادامه می‌خوانید واکاوی عمیق این فناوری و چالش‌های پیشِروی آن، از نگاه صالحی خواهد بود.
ایمنا: می‌توانید توضیح دهید که نانو حباب‌ها چیست و چه ویژگی‌هایی آن‌ها را از حباب‌های معمولی متمایز می‌کند؟
صالحی: نانو حباب‌ها در واقع حباب‌های گازی هستند که اندازه آن‌ها در مقیاس نانومتر، یعنی چند ده تا چند صد نانومتر است. برخلاف حباب‌های میکروسکوپی که به سرعت بالا می‌روند و تخلیه می‌شوند، نانو حباب‌ها به دلیل داشتن بار الکتریکی سطحی منفی و نیروهای بین‌مولکولی خاص، پایداری غیرمنتظره‌ای در مایعات از خود نشان می‌دهند، این پایداری موجب می‌شود که نانو حباب‌ها بتوانند مدت زمان طولانی‌تری در محیط مایع معلق بمانند.
ایمنا: از نظر ساختاری، نانو حباب‌ها چگونه شکل می‌گیرد؟ آیا ساختار داخلی یا پوششی خاصی دارند؟
صالحی: ساختار نانو حباب‌ها بسیار جذاب است. به‌طور عمده از یک هسته گازی تشکیل شده‌اند که توسط لایه‌ای از آب احاطه شده و در سطح آن مولکول‌های آب به صورت مرتب چین خورده‌اند، این ساختار لایه‌ای، به دلیل نیروی دوقطبی آب و نیز بار الکتریکی موجود در سطح حباب، مانع از ادغام یا انحلال سریع حباب در محیط می‌شود، همچنین در برخی تحقیقات مشاهده شده که وجود مواد افزودنی یا سورفکتانت‌های خاص می‌تواند پوشش نانو حباب را تقویت کرده و پایداری آن را افزایش دهد.
ایمنا: می‌توان گفت که بار سطحی این نانو حباب‌ها نقش کلیدی در پایداری آن‌ها ایفا می‌کند؟
صالحی: بار منفی روی سطح نانو حباب‌ها موجب ایجاد نیروی دافعه الکتریکی بین آن‌ها می‌شود که از برخورد و همجوشی جلوگیری می‌کند، این پدیده به حفظ اندازه و شکل حباب‌ها کمک می‌کند. علاوه بر این، این بار الکتریکی می‌تواند تعاملات مولکولی در سطح حباب را تغییر دهد و به عنوان یک سد حفاظتی در برابر عوامل محیطی عمل کند.
ایمنا: درباره روش‌های تولید نانو حباب‌ها چه چیزی می‌توانید بگویید؟ آیا تکنیک‌های خاصی برای ایجاد آن‌ها وجود دارد؟
صالحی: تولید نانو حباب‌ها می‌تواند از روش‌های مختلفی انجام شود. یکی از روش‌های رایج استفاده از دستگاه‌های تولید حباب به کمک نفوذ فشار گاز در مایع است. در این روش، گاز به طور ریز و یکنواخت در مایع تزریق می‌شود تا حباب‌هایی با اندازه نانو تولید شود. روش‌های
ایمنا: در کاربردهای عملی، نانو حباب‌ها در چه زمینه‌هایی استفاده می‌شوند؟ کاربردهای آن‌ها چه مزایایی دارد؟
صالحی: نانو حباب‌ها در طیف گسترده‌ای از کاربردها نقش دارند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای آن‌ها در تصفیه آب و بهبود کیفیت آب آشامیدنی است. به دلیل ظرفیت بالا در جذب آلاینده‌ها و مواد آلی، می‌توانند به عنوان یک عامل مؤثر در جداسازی آلودگی‌ها عمل کنند، در پزشکی، نانو حباب‌ها به عنوان حامل‌های دارویی برای انتقال دقیق داروها به بافت‌های هدف مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ به ویژه در درمان‌های هدفمند سرطان و صنایع کشاورزی استفاده از نانو حباب‌ها در افزایش بهره‌وری آب و بهبود رشد گیاهان مشاهده شده است. به علاوه، در حوزه‌های دیگری همچون صنایع شیمیایی و الکترونیکی، این حباب‌ها به عنوان کاتالیزورهای سطحی یا واسطه‌های انتقال حرارت به کار گرفته می‌شوند.
ایمنا: با توجه به این کاربردهای متنوع، چالش‌هایی نیز در تولید و استفاده از نانو حباب‌ها وجود دارد. به نظر شما مهم‌ترین چالش‌ها در این زمینه چیست؟
صالحی: هر تکنولوژی پیشرفته چالش‌های خاص خود را دارد. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها در زمینه نانو حباب‌ها، کنترل دقیق اندازه و توزیع آن‌ها در مایع است. به دلیل اندازه بسیار کوچک، حتی تغییرات جزئی در شرایط تولید می‌تواند منجر به تغییر در عملکرد و پایداری حباب‌ها شود. علاوه بر این، مسئله جمع‌آوری و نگهداری نانو حباب‌ها بدون از بین رفتن خواص آن‌ها نیز یکی دیگر از چالش‌های عمده محسوب می‌شود، همچنین در کاربردهای پزشکی، مسئله ایمنی و بی‌خطر بودن حباب‌ها برای بدن انسان از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است؛ لذا تحقیقات بیشتری در این زمینه لازم است.
ایمنا: آیا تحقیقات اخیر در حوزه نانو حباب‌ها توانسته‌اند به راه‌حل‌هایی برای این چالش‌ها دست پیدا کنند؟
صالحی: در سال‌های اخیر پیشرفت‌های قابل توجهی در این حوزه صورت گرفته است. پژوهشگران با استفاده از فناوری‌های نوین همچون تصویربرداری نانو و مدل‌سازی مولکولی، به درک بهتری از ساختار و رفتار نانو حباب‌ها دست یافته‌اند. برخی تحقیقات نشان داده‌اند که افزودن سورفکتانت‌های مناسب و بهینه‌سازی شرایط فرایند می‌تواند به کنترل دقیق‌تر اندازه و پایداری حباب‌ها منجر شود، همچنین استفاده از فناوری‌های پیشرفته نظارتی، امکان پایش لحظه‌ای تغییرات سطحی حباب‌ها را فراهم کرده که در نهایت به بهبود عملکرد سیستم‌های تولید کمک می‌کند.
ایمنا: در کاربردهای پزشکی و دارویی، آیا می‌توان نانو حباب‌ها را به عنوان ابزارهای نوآورانه‌ای برای انتقال داروها و تصویربرداری تشخیص استفاده کرد؟
صالحی: در حوزه پزشکی، نانو حباب‌ها به دلیل اندازه کوچک و قابلیت نفوذ بالا، می‌توانند به عنوان حامل‌های دارویی برای انتقال دقیق دارو به مناطق مورد نظر عمل کنند، همچنین به کمک ویژگی‌های تصویربرداری نانو، این حباب‌ها می‌توانند در تشخیص و پایش زودهنگام بیماری‌ها نقش داشته باشند. بعضی مطالعات نشان داده‌اند که نانو حباب‌ها با قابلیت هدف‌گیری دقیق، می‌توانند ریسک عوارض جانبی داروها را کاهش داده و اثربخشی درمان‌های هدفمند را افزایش دهند.
ایمنا: به نظر می‌رسد که آینده نانو حباب‌ها بسیار امیدوارکننده است، چشم‌انداز خود را از آینده تحقیقات و کاربردهای این فناوری برای ما ترسیم کنید؟
صالحی: آینده نانو حباب‌ها بسیار روشن به نظر می‌رسد. انتظار می‌رود با پیشرفت‌های علمی و فناوری، بتوانیم کنترل دقیق‌تری بر روی ساختار و اندازه این حباب‌ها داشته باشیم، این امر منجر به توسعه کاربردهای نوین در حوزه‌های مختلف همچون تصفیه آب، پزشکی، کشاورزی و صنایع شیمیایی خواهد شد، همچنین همکاری بین دانشگاه‌ها، مراکز تحقیقاتی و صنایع مختلف می‌تواند منجر به ایجاد راهکارهای پایدار و مقرون به صرفه در استفاده از نانو حباب‌ها شود، این فناوری می‌تواند به عنوان یک ابزار کلیدی در ایجاد فناوری‌های سبز و بهبود کیفیت زندگی انسان‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
نظر شما