کاربردهای نانو الیاف که نمی دانستید! + 9 کاربرد مهم و اصلی

برای اینکه درباره کاربردهای نانو الیاف بگوییم ابتدا باید کمی از تاریخچه آن صجبت کنیم تا روند رشد این فناوری را متوجه شویم.

در مطالب قبلی وبلاگ درباره نانو الیاف و مزیت های آن در صنعت ماسک صحبت کردیم که برای دیدن آن می توانید روی این لینک کلیک کنید.

نگاهی به روند تاریخی توسعه فناوری‌های مرتبط کاربردهای با نانو الیاف:

خلاصه‌ای از مهم‌ترین رویدادها و وقایع در تاریخ توسعه فناوری نانو الیاف در جدول زیر ارائه شده است.

جدول سیر تاریخی توسعه فناوری‌های مرتبط با نانو الیاف

نمودار زیر تعداد اختراعات و کاربردهای ثبت‌شده در حوزه مواد، فناوری‌ها و کاربردهای نانو الیاف را از سال 1990 به بعد نشان می‌دهد. چنان که ملاحظه می‌شود تا اواخر دهه 90 میزان تحقیق و توسعه صورت گرفته در این حوزه بسیار اندک بوده است؛ اما در طول 15 سال بعد، این روند به‌طور پیوسته افزایش چشمگیری یافته تا جایی که در سال 2014 با ثبت 658 ثبت اختراع درزمینهٔ نانو الیاف به اوج خود رسیده است.

گفتنی است که روند گسترش تحقیق و توسعه در حوزه نانو الیاف از سال 2010 به بعد نیز با نرخ 12.4 درصد همچنان رشد قابل‌توجه خود را حفظ نموده است.

این در حالی است که مطابق با بررسی‌های منظمی که موسسه BCC انجام می‌دهد، شاخص PAI (پتنت‌های کاربردی ثبت‌شده) برای فناوری‌های نوظهور به‌ندرت به بالای 10 درصد می‌رسد ولی در بازه سال 2000 تا 2015 این شاخص برای حوزه نانو الیاف 29 درصد بوده است.

شکل: پتنت‌های ثبت‌شده در حوزه نانو الیاف از سال 1990 تا 2015 در سطح جهان

کاربردهای فعلی و در حال ظهور نانو الیاف

پیش از این درباره نانو الیاف و 9 کاربرد آن در صنعت در مقاله قبلی صحبت کردیم.

اما در بحث کاربردهای نانو الیاف که نو ظهور هستند، در سال‌های اخیر بخش قابل‌توجهی از تمرکز نهاد‌های دولتی و خصوصی فعال در حوزه نانو الیاف بر گسترش برنامه‌های کاربردی و قابل‌اجرا در صنایع مختلف بوده است.

موسسه تحقیقاتی BCC در یک دسته‌بندی زمینه‌ کاربردهای نانو الیاف را به 9 گروه زیر تقسیم نموده است:

الکترونیک
مکانیک، شیمی و محیط‌زیست
حس‌گرها و ابزارهای اندازه‌گیری
انرژی
علوم طبیعی و زیستی
حمل‌ونقل
عایق‌های حرارتی و صوتی
لوازم مصرفی
دفاع و امنیت

1- کاربرد نانو الیاف در الکترونیک

در بخش کاربردهای الکترونیکی، نانو الیاف اغلب در ساخت مدارهای ترکیبی، دستگاه‌های الکترونیکی نوری نظیر نمایشگرها، دستگاه‌های ذخیره‌ساز مغناطیسی، محافظ تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و محصولات ضد الکتریسیته ساکن به کار گرفته‌شده‌اند.

کاربردهای نانو الیاف در الکترونیک:

ترانزیستور مدارهای یکپارچه
اتصالات داخلی در دستگاه‌های نیمه‌هادی
حافظه‌های غیر فرار
دستگاه‌های الکترونوری
نمایشگرهای صفحه تخت گسیل میدانی
طیف‌سنج جرمی، لوله پرتو X و منابع نوری با روشنایی بالا
درایوهای دیسک سخت
محافظ EMI
ارتعاش دهنده نانو مکانیکی
تجهیزات پیزوالکتریک
مدیریت حرارت در تجهیزات الکترونیکی
رابط حرارتی در دستگاه‌های الکترونیکی
لایه دی‌الکتریک خازن
جداکننده در خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی
قطعات حساس به فروسرخ برای تجهیزات تصویربرداری دیجیتال و چاپ

2- کاربرد های نانو الیاف در مکانیک/شیمی و محیط‌ زیست

در این حوزه نانو الیاف اغلب در کاربردهایی که نیاز به نسبت قطر به طول بسیار اندک، سطح مخصوص بالا و یا استحکام مکانیکی بالا باشد، به کار گرفته می‌شوند.

کاربردهای نانو الیاف در مکانیک/شیمی و محیط‌ زیست:

میکرو/نانو فیلتراسیون
واسطی برای سامانه‌های تبادل یونی
کاتالیزورها و فوتوکاتالیست ها
عامل تقویت‌کننده خواص شیمیایی، مکانیکی، سد کنندگی و مقاومت در برابر اشتعال
مواد سبک‌وزن
چسب و مواد اتصال‌دهنده جهت به‌کارگیری در شرایط محیطی سخت
دیسپرس کننده
بسته‌بندی‌های قابل تورم جهت صنایع نفتی

3- کاربرد نانوالیاف در حس‌گرها و ابزارهای دقیق

دارا بودن سطح مخصوص بالا و نیز قابلیت جذب مولکول بر روی سطح، ظرفیت بالقوه‌ای را برای نانو الیاف درزمینهٔ حس‌گرها و ابزارهای اندازه‌گیری ایجاد نموده است.

کاربردهای نانو الیاف در حسگرها

حسگرهای زیستی
حسگرهای گازی
حسگر گازهای سمی یا قابل اشتعال
حسگرهای گازی فوق حساس
حسگرهای نوری
تیپ میکروسکوپ‌های پروبی پویشی
گسیل دهنده الکترون در لیتوگرافی

4-نانو الیاف و کاربرد آن در انرژی

سطح مخصوص زیاد در کنار رسانایی الکتریکی خوب نانو الیاف کربن و رفتار نیمه‌هادی نانو الیاف اکسید فلزی، آن‌ها را به سازه‌ای مطلوب برای کاربردهای حوزه انرژی مثل باتری‌ها، ابر خازن‌ها، پیل‌های سوختی، پیل‌های فوتوولتائیک و دستگاه‌های الکتروحرارتی تبدیل نموده است.

کاربردهای نانو الیاف در حوزه انرژی:

الکترود باتری‌های لیتیوم یون
الکترودهای خازن‌های الکترولیتی
الکترود، کاتالیزور و ذخیره‌ساز هیدروژن در پیل‌های سوختی
جزء نیمه‌هادی در سلول‌های خورشیدی با کارایی بالا
الکترود سلول‌های خورشیدی رنگ حساس
غشای سه‌بعدی در سلول‌های سوختی
مواد با قابلیت تبدیل حرارت به انرژی الکتریکی

5- نانو الیاف و کاربردهای آن در حوزه سلامت و بهداشت

مهندسی بافت:

نانو الیاف قابلیت به‌کارگیری در بسیاری از محصولات مهندسی و علمی امروزی را در حوزه‌هایی نظیر پزشکی، زیستی و دارویی دارند.

به‌عنوان‌مثال از نانو الیاف پلی لاکتیک اسید، پلی کاپرولاکتون، استات سلولز و نانو الیاف کربن در بازسازی و مهندسی بافت استفاده می‌شود.

گفتنی است این نانو الیاف جهت کاشت و رشد انواع مختلفی از سلول‌ها به‌ویژه سلول‌های بنیادی مناسب هستند.

در حال حاضر نیز مطالعات بسیاری بر به‌کارگیری نانو الیاف زیست‌تخریب‌پذیر برای ترمیم و ایجاد بافت‌های عضلانی و رگ‌های خونی متمرکزشده است.

کاربردهای نانو الیاف در علم زندگی:

داربست‌ها در مهندسی بافت
شیشه‌های زیست فعال در بازسازی و مهندسی بافت
کاشت و رشد سلول‌های بنیادی
ماهیچه‌های مصنوعی
رگ‌های خونی مصنوعی
استفاده از مواد زیست فعال در درمان بیماری‌های دندان و لثه
بالن‌های قابل انبساط برای آنژیوپلاستی
پانسمان زخم با رهایش کنترل‌شده دارو
باندهای با سرعت درمان بالا

6-نانو الیاف در حوزه حمل‌ونقل

کاربردهای فعلی و مثبت:

کاربردهای اصلی نانو الیاف در صنایع خودروسازی و هوافضا شامل تولید قطعاتی سبک و با استحکام بالا، ترکیبات ضد الکتریسیته ساکن و رنگ‌های رسانا می‌شود.

قطعات سبک و با استحکام بالا:

به سبب چگالی اندک نانو الیاف کربنی (CNFs) از آن‌ها برای ساخت کامپوزیت‌های سبک و با استحکام بالا استفاده می‌نمایند که در صنایع خودرو و هوافضا در موارد بسیاری نظیر آینه، چارچوب‌ها، سپر و ضربه‌گیرها به کار گرفته می‌شوند. از این نانو الیاف حتی برای تقویت سازه تایر خودرو هم استفاده‌شده است.

کاربردهای نانو الیاف در صنعت حمل‌ونقل:

ساخت کامپوزیت‌های سبک برای صنایع خودروسازی و هوافضا
عامل تقویت‌کننده قطعات، پنل‌ها و تایرها
کامپوزیت‌های شفاف برای محصولات ساختاری و تحمل‌کننده بار
ارائه مواد تخلیه کننده شارژ الکترواستاتیک جهت مخازن سوخت، پمپ‌ها و …
رنگ‌ها و پوشش‌های رسانا
فیلم‌های سبک محافظ در برابر رعد و برق

7- کاربردهای نانوالیاف در حوزه عایق‌های حرارتی صوتی

کاربرد های جاری:

کاربردهای فعلی شامل تولید عایق‌های حرارتی و پنل‌های عایق صوتی مسکونی، تجاری و صنعتی است.

عایق های حرارتی مسکونی، تجاری و صنعتی:

نانو الیاف سرامیکی و شیشه به‌عنوان مواد عایق حرارتی در ساختمان‌های تجاری و مسکونی به‌عنوان‌مثال در پنجره‌ها و نیز کاربردهای صنعتی نظیر عایق لوله‌ها به کار گرفته می‌شوند.

همچنین از نانو الیاف پلیمری برای ساخت پنل‌های عایق صوت استفاده می‌شود. این ترکیبات به‌ویژه در جذب صوت‌های در محدوده فرکانسی پایین (کمتر از 1000 هرتز) کارایی خوب و مؤثری دارند.

لازم به ذکر است که کاربرد نانو الیاف به‌عنوان عایق‌های حرارتی و صوتی در سال‌های اخیر محدود به همین موارد بوده و زمینه کاربردی نوینی برای آن‌ها ارائه نشده است.

کاربردهای نانو الیاف در عایق‌های حرارتی و صوتی:

مواد عایق حرارت
پنل‌های عایق صوت

8-نانوالیاف در حوزه کالاهای مصرفی

مهم‌ترین کاربردهای نانو الیاف در بخش مصرف‌کنندگان مربوط به منسوجات و مواد جاذب می‌شود.

منسوجات:

نانو الیاف پلیمری گرمانرم کاربردهای متنوعی را در صنعت منسوجات و ساخت پارچه‌های با فناوری بالا نظیر وب نانو الیاف حاوی ذراتی با خواص ویژه پیداکرده‌اند. ازجمله این کاربردهای می‌توان به پارچه‌های ضد آب تنفس پذیر، پوشاک محافظ، پارچه‌های عایق و چرم مصنوعی اشاره نمود.

کاربردهای در حال ظهور:

به‌تازگی از نانو الیاف در پارچه‌های تمیزکننده سطوح جهت افزایش چشمگیر عملکرد آن‌ها در پاک کردن سطوح از گردوغبار، اثرانگشت و روغن و چربی‌ها استفاده می‌شود. این محصولات جهت پاک‌سازی سطوح نیازمند عوامل شیمیایی یا پاک‌کننده دیگری نبوده و اثری نیز از خود برجا نمی‌گذارند.
در سال 2015 شرکت ژاپنی DKS و Mitsubishi Pencil از یک ترکیب حاوی نانو الیاف سلولزی به‌عنوان عامل غلظت دهنده در جوهر استفاده نمودند که موجب یکنواختی بیشتر در جوهر و روان قلم می‌شود و از این طریق کیفیت نوشتن را بالا می‌برد.

در جدول زیر خلاصه‌ای از کاربردهای نانو الیاف در بخش اقلام مصرفی ارائه‌شده است.

کاربردهای نانو الیاف در بخش مصرف‌کنندگان:

لباس‌های حاوی محرک‌ها و حس‌گرها
منسوجات با کارایی بالا
پوشاک محافظ
پارچه‌های عایق
چرم مصنوعی
پارچه مقاوم در برابر گرما و عوامل شیمیایی
دستمال‌های بهداشتی، پوشک و سایر محصولات جاذب برای مراقبت شخصی
بسته‌بندی‌های زیست‌تخریب‌پذیر
منسوجات الکترونیکی
پارچه‌های تمیزکننده کارآمد
غلظت دهنده جوهر برای قلم

9- در حوزه حوزه دفاعی و امنیتی

کاربردهای جاری:

در این بخش عمده کاربردها بر تولید پوشاک محافظ سبک‌وزن، جنگ زیستی و شیمیایی و همین‌طور محصولات ضد جعل و تقلب متمرکز بوده است.

محصولات ضد جعل و تقلب:

نانو الیاف حاوی نانو ذرات مغناطیسی، کوانتم دات‌ها یا نانو ذرات نوری (مانند ذراتی که تغییر رنگ می‌دهند) در جهت توسعه محصولاتی با خواص ضد جعل بکار گرفته‌شده‌اند. از این محصولات می‌توان در اسناد مهمی نظیر گذرنامه به‌منظور کاهش جعل یا طراحی لباس‌ها برای اطمینان از صحت آن استفاده نمود.

کاربردهای نانوالیاف در صنایع دفاعی و امنیتی:

تجهیزات ضد جعل و تقلب
پارچه‌های محافظ در برابر عوامل شیمیایی و زیستی
پوشاک ضدگلوله سبک
ماسک‌های تنفسی
حس گر برای تشخیص انتشار انرژی مغناطیسی
کامپوزیت‌های فوق مستحکم برای صنایع هوافضا و نظامی

سایر کاربردهای نانو الیاف:

یکی دیگر از کاربرد های نانو الیاف در صنعت پزشکی است که ICAN در رویداد ICAN NETWORK 1 به آن پرداخته است که میتوانید آن را در ویدیو زیر مشاهده کنید.

به طور کلی، نانو فیبرها در حوزه‌های گوناگون پتانسیل بالایی دارند و پژوهش‌های جاری احتمالاً کاربردهای بیشتری برای این الیاف بسیار نازک را کشف خواهند کرد.

کاربردهای جاری:

نانو الیاف کیتوسان جهت تولید محصولات کشاورزی با خواص اصلاح‌شده مورداستفاده قرارگرفته‌اند.

همچنین در یک کاربرد دیگر از صفحات نانو الیاف کربن جاسازی‌شده به‌عنوان یک المنت گرم‌کننده برقی در سامانه‌های بتنی که نیاز به گرمادهی دارند استفاده‌شده است. از این فناوری می‌توان در گرم کردن بتن‌ها در طول فصول سرد سال و در دمای انجماد استفاده نمود.

کاربردهای در حال ظهور:

اخیراً توجه به نانو الیاف سلولزی در صنعت غذا در کاربردهایی نظیر عدم تحرک مواد زیست فعال نظیر آنزیم‌ها و ویتامین‌ها و تولید محصولات nutraceutical رو به افزایش است.

برای مطالعه بیشتر می توانید به لینک زیر مراجعه کنید:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b07066

و یا میتوانید پی دی اف کامل همین مطلب را از این لینک دانلود کنید.

↓↓↓

کاربردهای نانو الیاف