ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

چارچوبی برای انتخاب و طراحی نانومواد پایدار بر پایه عملکرد، مخاطره و ملاحظات اقتصادی

نانومواد مهندسی‌شده (ENMs ) و محصولات بهبود یافته به‌وسیله‌ی آنها به یک جایگزین بالقوه با کارایی بالا برای مواد و ترکیبات شیمیایی متداول تبدیل ‌شده است. به همین دلیل، توجه به اهداف ‌زیست‌محیطی و سلامت انسان، حین انتخاب نانومواد مهندسی‌شده و فرایند طراحی آن‌ها امری ضروری است. در اینجا، چارچوب انتخابی مبتنی بر راهبرد انتخاب مواد Ashby، به‌عنوان یک فرایند انتخاب و طراحی پیشرفته ارائه‌شده است که همزمان شامل عملکرد و کارایی و ملاحظات زیست‌محیطی و سلامت انسان است. میزان سودمندی این چارچوب در دو مطالعه موردی، طراحی و انتخاب مواد ضد میکروبی و پلیمرهای رسانای حاوی نانومواد محصولات بهبود یافته به‌وسیله‌ی نانومواد و جایگزین آن‌ها، نشان داده شده است. علاوه‌بر این، در این مطالعات موردی، بازده موثر و اثرات در دو مقیاس زیر در نظر گرفته شده است: (1) یک مقیاس وسیع که در آن دسته مواد/ شیمیایی موجود برای تصمیم‌گیری اولیه مورد بررسی قرار می‌گیرند (2) دسته مواد/ شیمیایی که در آن خواص فیزیکی و شیمیایی ماده برای دستیابی به عملکرد و پروفایل اثرات زیست‌محیطی مطلوب دست‌کاری ‌شده‌اند. توسعه و اجرای این چارچوب می‌تواند اطلاعات خوبی برای تصمیم‌گیری برای به کارگیری نانومواد و ساخت آن‌ها به منظور استفاده در کاربردهای مختلف بدون پیامدهای ناخواسته را در اختیار افراد قرار می‌دهد.

 

1. مقدمه
نانومواد برای حل چالش‌های اجتماعی درزمینه پزشکی، الکترونیک و تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این ‌حال، اثرات زیست‌محیطی مرتبط با نانومواد و تولید آن‌ها می‌تواند فواید استفاده از آن‌ها را تحت تأثیر قرار دهد. در حالی که دانشمندان مواد معمولا به بهینه‌سازی عملکرد و قیمت توجه دارند، کاهش اثرات زیست‌محیطی و یا سلامت انسان به عنوان یک اولویت پیش ‌از این به‌طور سیستماتیک مورد بررسی قرار نگرفته است. بنابراین استفاده از نانومواد و یا محصولات بهبود یافته به‌وسیله‌ی آنها برای حل چالش‌های اجتماعی می‌تواند پیامدهای ناخواسته‌ای را ایجاد کند که حیات تجاری بلندمدت نانومواد را به دلیل ریسک‌های واقعی یا تصور شده تهدید ‌کند. علاوه‌بر این، از آنجا که نرخ نوآوری مواد به‌سرعت در حال پیشروی است و مقررات مربوطه برای ارزیابی سیستماتیک با تأخیر همراه است، ارزیابی اثرات ‌زیست‌محیطی و سلامت به عنوان یک چالش برای حفظ سرعت پیشرفت مطرح است و به همین دلیل به‌صورت مورد به مورد انجام می‌شود.

پتانسیل قابل ‌توجه اقتصادی و عملکردی برای محصولات بهبود یافته به‌وسیله‌ی نانومواد به‌وسیله‌ی سرمایه‌گذاری سالانه ویژه ملی فناوری نانو ایالات‌متحده آمریکا[2] ( (NNIمنعکس می‌گردد که از سال 2007 تا 2015 به حدود 15 میلیارد دلار رسیده است (شکل 1). در طول مدت‌زمان مشابه، سرمایه‌گذاری سالانه NNI در زمینه تحقیقات محیط‌زیست، بهداشت و ایمنی[3] (EHS) از 3/48 تا 2/120 میلیون دلار بوده است که کمتر از 8% کل سرمایه‌گذاری NNI بوده است (شکل۱). این اختلاف موید چالش‌های پیشروی طراحان برای توسعه‌ی نانومواد و محصولات بهبود یافته به‌وسیله‌ی نانومواد ‌، همراه با بهینه‌سازی عملکرد و کاهش اثرات نامطلوب زیست‌محیطی و سلامت انسان در این محصولات است. داده‌های لازم برای ارزیابی‌ سیستماتیک ایمنی قبل از تجاری‌سازی محدود است و این امر منجر به دو پیامد" مهلک" برای فنّاوری‌های نوظهور شده است: ۱) پذیرش همراه با تهدید ناشی از درک عمومی از ریسک، در غیاب داده‌های باکیفیت بالا، یا ۲) تأخیر در مشاهده‌ی اثرات زیان‌آور که منجر به "جایگزین‌های تأسف‌بار" می‌شود. مثال قابل تامل مورد اول، حذف مؤثر بازار ارگانیسم‌های اصلاح‌شده ژنتیکی از سراسر اروپا است؛ که نیاز به دستورالعمل‌های طراحی پیشرفته را نشان می‌دهد که به طور هم‌زمان عملکرد، قیمت و اثرات زیست‌محیطی را مورد توجه قرار دهد. چنین ارزیابی‌های سیستماتیکی برای طراحی‌های پایدار محصولات در حال ظهور، در بحث تجاری‌سازی امری الزامی است، درحالی‌که ارزیابی‌های آینده نگر برای به حداقل رساندن پیامدهای پیش‌بینی‌نشده‌ی مرتبط با انتخاب مواد و طراحی محصول، ضروری است.

چندین راهبرد برای بررسی مسائل اشاره شده در بحث تجاری‌سازی فناوری نانو و محصولات بهبود یافته به‌وسیله‌ی نانومواد مطرح ‌شده است مانند تجزیه ‌و تحلیل تصمیم‌گیری چند معیاری[4] (MCDA) همراه با ارزیابی چرخه‌ی عمر[5] (LCA) و ابزارهایی مانند چرخه‌ی عمر و ارزیابی ریسک[6] (LICARA) و nano SCAN. این ابزارها اگرچه ارزشمند هستند، ولی در عین حال کیفی بوده و برای هر دسته از نانومواد محدودیت‌هایی برای تصمیم‌گیری در طراحی دارد. علاوه‌بر این، LCA یک ابزار وقت گیر بوده و نیازمند منابع وسیعی است. در عین حال در نتایج حاصل از آن عدم قطعیت بالا است و داده‌های در دسترس این ابزار در حوزه فناوری نانو محدود است. در مقابل، انتخاب نانومواد پایدار، بر پایه ابزارهایی که به‌وسیله‌ی مهندسان مکانیک و مواد استفاده می‌شود مانند چارچوب انتخاب مواد پیشرفته Ashby در اینجا توسعه داده شده و مورد بررسی قرار می‌گیرد.

به‌طور ساده، روش Ashby یک پروسه‌ی گام‌به‌گام را به‌منظور آگاهی دادن در زمینه انتخاب مواد به‌وسیله‌ی ترسیم پارامترهای مورد نیاز در طراحی و سپس نمایش مجموعه‌ی وسیعی از مواد برای انتخاب یک کاندیدای قابل‌قبول، توصیه می‌کند. چارت انتخاب مواد به‌طور فشرده مواد را بر اساس دسته‌بندی جنس (به‌عنوان‌مثال فلزات، پلیمرها و یا کامپوزیت‌ها) در مقابل ماتریس عملکردی یا اقتصادی (مثلاً استحکام کششی، چگالی، هدایت حرارتی یا قیمت واحد جرم) نمایش می‌دهد و این چارت بحث اصلی و ضروری این فرایند است. این ‌یک روش مناسب برای طراحان محصول و دانشمندان مواد است و گستردگی حوزه کاربردی این روش شامل نانومواد نیز می‌شود. با این‌ حال، ارزیابی سیستماتیک عملکرد محصول نانومواد و تأثیر قراگیری نانومواد در دیگر حامل‌ها (متامواد) ، توسعه نمودارهای انتخاب نانومواد را محدود می‌کند. علاوه‌بر این، اگرچه تلاش‌هایی برای استفاده از چارچوب انتخاب مواد Ashby برای ارزیابی پیامدهای زیست‌محیطی برخی مواد توده و کامپوزیت‌ها صورت گرفته است، درک همزمان عملکرد و کارایی و اثرات زیست‌محیطی نانومواد به‌طور جامع پیگیری نشده است. اخیراً، در روش Ashby معیارهای عملکرد متامواد شامل اثرات چرخه عمر زیست‌محیطی مانند تقاضای انرژی تجمعی[7] (CED) ، مصرف آب و انتشار گازهای گلخانه‌ای، گسترش داده شده است، اما به‌طور ویژه، امکان افزودن معیارهای حذف‌شده (مانند سمیت) وجود دارد. به ‌این‌ ترتیب، نیاز به ارتقای بیشتر چارچوب است تا بتوان خطرات ذاتی ماده و پیامدهای زیست‌محیطی و سلامت انسانی مواد را هم مورد بررسی قرار داد. داده‌های به دست آمده مرتبط با LCA ها، سمیت و کارایی و عملکرد در حوزه‌های جدید محصولات بهبود یافته با نانومواد ‌، می‌توانند به ‌منظور توسعه یک راهبرد انتخاب و طراحی مواد برای هدایت به سمت طراحی محصولات پایدار نانومواد و بهبود یافته با نانومواد به کار گرفته شوند.

در اینجا پتانسیل این راهبرد از طریق دو مطالعه موردی بررسی می‌شود: (1) انتخاب بین نانومواد و توده‌ی مواد شیمیایی برای کاربردهای ضد میکروبی و (2) انتخاب نانومواد برای تولید موادی با کاربردهای هدایت الکتریکی بالا. علاوه‌بر عملکرد و کارایی، معیارهای دیگری در طراحی شامل اثرات سلامت انسانی با استفاده از بررسی سمیت ماهی زبرا[8] به‌عنوان یک ارگانیسم مدل، گهواره تا ورودی[9] CED و قیمت مواد در نظر گرفته شده است. رویکرد ارائه‌شده در اینجا بیان می‌کند که بهتر است در ارزیابی بقا یک نانومواد برای یک کاربرد خاص به بحث محدود بودن زمان و منابع توجه شود. به‌عنوان‌مثال، به‌جای سرمایه‌گذاری در ارزیابی سمیت پیچیده در سطوح مختلف، یا با اتکا به ماهیت نامشخص ارزیابی سمیت یک چرخه عمر، می‌توان مواد کاندید را به افرادی که اهداف منطبق با عملکرد و پایداری را دنبال می‌کنند، واگذار کرد. موفقیت این روش تابع همکاری بین دانشمندان مواد (که تولید‌کننده نانومواد هستند) ، دانشمندان محیط زیست (که نانومواد را ارزیابی می‌کنند) و طراحان محصول است تا نسبت به (۱) تولید داده‌های قوی مرتبط با منافع عملکردی نانومواد و خواص آن‌ها و (۲) درک و انتشار مناسب پیامدهای محیطی نانومواد نوظهور اطمینان حاصل کرد.

در این صورت در آینده، محصولات نانومواد و نانوپدید می‌توانند به منظور اجتناب از این مسائل طراحی شوند. در غیاب این تلاش و ارتباط هماهنگ، ممکن است استفاده از پتانسیل کامل فناوری نانو به منظور داشتن تأثیر مثبت و پایدار بر علم و جامعه، محقق نشود.

 

2. چارچوب انطباقی برای نانومواد پایدار
پتانسیل حمایت از انتخاب و طراحی نانومواد پایدار با توجه به چارچوب پیشنهادی از طریق دو مطالعه موردی نشان داده ‌شده است. مطالعه اول مربوط به استفاده از نانومواد در مقایسه با مواد شیمیایی متداول برای فعالیت ضدمیکروبی است و مطالعه دوم مربوط به انتخاب نانومواد برای پلی- آنیلین[10] (PNAI) نانوپدید به منظور بهبود هدایت الکتریکی است. انتخاب موضوع این مطالعات موردی با توجه به نیازهای واقعی جامعه به فناوری‌های جدید در حوزه‌های نامبرده صورت گرفته است. به عنوان مثال به دلیل تغییرات قوانین نظارتی استفاده از مواد شیمیایی ضدمیکروبی ممنوع شده است. همچنین تقاضای بازار در مورد کامپوزیت‌های ENM-PANI به عنوان سوپرخازن‌های انعطاف پذیر، بالا است. لازم به ذکر است که در هر مطالعه، انتخاب نانومواد ‌، مواد/ شیمیایی بر اساس استفاده فعلی و یا مورد انتظار از آن‌ها در تحقق اهداف و عملکرد مطلوب همراه با کمیت و کیفیت داده‌های موجود در مورد تأثیرات آن‌ها بر سلامت انسان و محیط‌زیست در طول چرخه عمر و قیمت مواد صورت گرفته است.

 

1.2. نانومواد در برابر جایگزین‌های ضد میکروبی شیمیایی توده
به منظور جایگزینی مواد/ شیمیایی با نانومواد ‌، باید عملکرد و کارایی نانومواد، مشابه یا بهتر از مواد شیمیایی توده یا سایر مواد اولیه باشد و در عین حال اثرات نامطلوب بالقوه آن‌ها کمتر باشد. اخیرا انتخاب مواد شیمیایی میکروبی مانند triclosan و triclocarban، به‌وسیله‌ی سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) [11] ممنوع شد. این امر علاقه به استفاده از مواد ضد میکروبی مبتنی بر نانومواد را با توجه به کارایی آن‌ها در تصفیه آب و ابزارهای پزشکی افزایش داده است. اما استفاده از این مواد همچنان به ارزیابی‌های قوی‌تر در حوزه اثرات زیست‌محیطی و سلامت آنها، نیاز دارد.

به‌عنوان اولین گام، طراحان باید هنگام انتخاب مواد جایگزین، یک هدف کاربردی خاص را برآورده کنند. به عنوان مثال، برای عوامل ضد میکروبی، معیار عملکرد می‌تواند فعالیت ضد میکروبی علیه یک ارگانیسم خاص (به‌عنوان‌مثال Escherichia coli) به لحاظ حداقل غلظت مهاری ([12]MIC, mg l-1) باشد. به منظور درک تعامل بین جنبه‌های سودمندی هر ماده و اثرات مخرب آن، سه مسئله باید مورد ارزیابی قرار گیرد. اولین مسئله، بحث قیمت (به ازای هر کیلوگرم) است که طراحان محصول باید به تولیدکنندگان نانومواد پرداخت می‌کنند. قیمت نانومواد یک ابزار غربالگری مفید برای انتخاب آن‌ها است. زیرا در همه‌جا موجود و قابل‌مقایسه است. با این‌ حال، توجه به این نکته ضروری است که این قیمت، منعکس‌کننده هزینه کل برای کاربر نیست؛ (یعنی ممکن است، قیمت مواد اولیه مورد نیاز برای تولید یک ماده نهایی پایین باشد ولی به دلیل تفاوت‌های متعدد در فرایند تولید و یا سایر ملاحظات، قیمت تمام شده نهایی برای تولید‌کننده بسیار بالا باشد و این باید در هنگام راهبرد انتخاب مواد در نظر گرفته شود). دومین معیار سنجش، CED (MJ Kg-1) است که از تولید نانومواد به دست می‌آید. این پارامتر از طریق ارزیابی چرخه عمر از مدل "گهواره تا ورودی" محاسبه می‌شود. پایدارترین ماده، به ماده‌ای گفته می‌شود که به کم‌ترین مقدار انرژی در طول فرایند تولید نیاز دارد. این انرژی شامل انرژی الکتریکی و گرمایی در طول فرایند تولید و نیز انرژی‌های داخلی مواد اولیه و واکنشگرها است. سومین ملاحظه، بحث خطر برای سلامت انسان است. ارزیابی سمیت چرخه عمر برای تفاوت‌های موجود در خواص فیزیکی و شیمیایی نانومواد گزارش نشده است و همیشه داده‌هایی در این زمینه از آزمون‌های سمیت تجربی موجود نیست تا فرضیاتی را بتوان در نظر گرفت. این در حالی است که ارزیابی سمیت در چندین سطح مختلف از ارگانیسم‌ها گران‌قیمت و زمان‌بر است. بنابراین، در این مطالعه، خطر نسبی سلامت انسان با نتایج ارزیابی سمیت ماهی زبرا (LC50، غلظتی از ماده که باعث کشته شدن 50% از موجودات زنده‌ای می‌شود که در معرض ماده قرار دارند، mgl-1) نشان داده می‌شود. هر چه مقدار LC50 بیشتر باشد به معنی آن است که درجه سمیت ماده کمتر است. از آنجا که ریسک، تابعی از خطر و میزان مواجهه است، طراحان محصول می‌توانند ریسک را با به حداقل رساندن خطر ذاتی، بدون در نظر گرفتن موقعیت مواجهه، به حداقل رسانند. علاوه‌بر این، خطر به‌طور مستقیم مرتبط با خواص فیزیکی و شیمیایی یک ماده است که می‌تواند تنظیم شود، درحالی‌که مواجهه نیازمند فرضیات متعددی است که لحاظ کردن آن در چارت Ashby دشوار است.

همان‌طور که انتظار می‌رود، عملکرد مواد شیمیایی و نانومواد ‌، اثرات ‌زیست‌محیطی/ سلامت انسان و قیمت طیف گسترده‌ای را نشان می‌دهند (شکل 2).

سه مورد از چهار ماده شیمیایی متداول، در خصوص ملاحظات سلامت انسان، مقدار LC50 کمتری نسبت به اکثر نانومواد ‌، (حتی برای مثال، نانوذرات نقره nAg) نشان می‌دهند. به نظر می‌رسد مواد شیمیایی ضدمیکروبی به انرژی کمتری حین فرایند تولید نیاز دارند. درحالی‌که بسیاری از روش‌های سنتز نانومواد هنوز در حال بررسی و توسعه هستند. زمانی که بازده خاصیت ضدمیکروبی و قیمت مدنظر قرار‌گیرید، نانوذرات اکسید روی (nZnO) به دلیل MIC نسبتاً پایین و قیمت واحد، به لحاظ اقتصادی قابل‌رقابت با بعضی از مواد شیمیایی توده هستند (شکل b3).

هنگامی که در یک دسته از مواد، محدودۀ وسیع و قابل‌توجهی وجود دارد، امکان تنظیم خواص فیزیکی-شیمیایی برای دست‌یابی به نتیجه‌ای مطلوب فراهم می‌شود. به‌عنوان مثال، نانولوله‌های کربنی چنددیواره[13] (MWCNT) ، برحسب نوع شیمی سطح، می‌توانند به عنوان عامل ضد میکروبی امیدوارکننده یا کم اثر عمل کنند (شکل 2a). به‌طور مشابه، تغییر در مورفولوژی نانومواد (برای مثال، اندازه و شکل) باعث ظهور طیف وسیعی از فعالیت ضدمیکروبی و مقادیر سمیت ماهی زبرای جنینی به‌ویژه در مورد nZnO و nAg می‌گردد. زیرا سازوکار عمل این نانوذرات در ایجاد خاصیت ضدمیکروبی حداقل تا حدودی مرتبط با تولید یون است که نرخ انحلال آن، اساساً مرتبط با مساحت سطح، کرنش و خمش و بلورینگی است. مقادیر گسترده در میزان CED، به‌ویژه برای نانومواد ‌، مرتبط با انواع متنوع مسیرهای سنتز این گونه مواد است. از این مسیرهای متنوع سنتز برای تولید نانومواد با اندازه یا مورفولوژی متنوع (به عنوان مثال برای نانومواد غیر کربنی) استفاده می‌شود. همچنین، از روش‌های متنوع سنتز برای تولید مواد با کیفیت‌های ساختاری و درجه خلوص متنوع (به عنوان مثال برای نانومواد کربنی) استفاده می‌شود. در ادامه به تأثیر تفاوت‌های فیزیکی و شیمیایی و نحوه‌ی استفاده از آن‌ها در طراحی مواد پرداخته می‌شود.

با انتخاب ماده، ارزیابی تجاری و تلاش برای بهینه‌سازی همزمان دو یا چند پارامتر به‌وسیله‌ی یک برنامه مورد توجه قرار می‌گیرد. نمودارهای دوبعدی (به ‌عنوان‌ مثال برای ایجاد ارتباط بین پارامتر عملکرد و کارایی و پارامتر اثرات زیست‌محیطی) امکان مقایسه‌ چند معیاره را فراهم می‌سازد (شکل 3). به‌عنوان‌مثال، یک طراح با محدودیت‌هایی از جمله بازده بالا و خطر کم می‌تواند به‌سرعت چندین گزینه را شاملtriclosan و triclocarban حذف کند (یعنی مواد خارج از منطقه بالا سمت چپ در شکل a3) ، در حالی ‌که امکان استفاده از گزینه‌های جایگزین (به عنوان مثال MWCNTs، nZnO، nAg و 4-chlorophenol) وجود دارد. با در نظرگیری محدویت اولیه برای عملکرد یا سود، سایر ویژگی‌ها را می‌توان برای بیشترین اثر قابل قبول (برای مثال، CED یا قیمت مواد، شکلc3 و b3) بر اساس محدودیت‌های تنظیمی، فشار عمومی، هنجارهای صنعتی و تأثیر سایر ذینفعان تنظیم کرد. به‌طور مشابه، حد آستانه چندمعیاری هم می‌تواند تنظیم شود (برای مثال بهینه‌سازی هم‌زمان عملکرد، تأثیر و قیمت) و در یک فضای پارامتری موادی چندبعدی (شکل d۳) نمایش داده شود. این مفهوم را به‌طور طبیعی می‌توان به n بعد تعمیم داد. در این مثال، nZnO به‌عنوان یک جایگزین مناسب به دلیل قیمت پایین، LC50 بالا (خطر پایین) و MIC نسبتاً کم (بازده بالا) تعیین گردید.

با توجه به نیاز احتمالی به متعادل‌سازی معیارهای چندگانه، می‌توان از دستورالعمل‌های انتخابی استفاده کرد. به ‌عنوان ‌مثال، انتخاب ماده با کمترین میزان خطر (بالاترین مقدار LC50) با بالاترین بازده (پایین‌ترین مقدارMIC) را می‌توان با بیشینه کردن نسبت عملکرد و کارایی ماده نسبت به خطر، RFH = LC50/MIC مشخص کرد. بر این اساس، می‌توان یک راهنمای انتخابی با شیب RFH ترسیم کرد، که در آن تمام موادی که در امتداد این خط قرار می‌گیرند، به لحاظ میزان بازده و خطر، گزینه‌های جایگزین "معادل" یکدیگر محسوب می‌شوند (شکل a۳). مشابه ضریب انتخاب مواد Ashby، M، این راهنمای انتخابی یک سازوکار برای ارزیابی موازنه بین محورهای x و y را فراهم می‌کند؛ بااین‌حال، برخلاف M، RFH یک‌ پایه ریاضی اصولی ندارد. این نمودارها، اطلاعات ارزشمندی را ارائه می‌دهند. به عنوان مثال LC50 موادی که در امتداد خطRFH = 10 قرار دارند، نسبت به مواد در امتداد خط 1=RFH با بازده عملکردی یکسان، 10 برابر بیشتر است. براین اساس، مطلوب‌ترین گزینه‌ها برای انتخاب یک عامل ضدمیکروبی (مقدار RFH بیشینه) ، نانوموادی مانند MWCNT ها، nAg و nZnO هستند.

در این زمینه توجه به چند نکته ضروری است: (۱) برای یک دسته از مواد (برای مثال MWCNTs) ، با توجه به تفاوت در خواص فیزیکی شیمیایی مواد در آن گروه، می‌توان دامنه‌ای از RFH را در نظر گرفت (به نقاط A و B در شکلa 3 توجه شود) ؛ (2) = 1 RFH لزوماً نشانگر یک نسبت خنثی بین اثرات منفی مواد به مزایای عملکردی آن‌ها نیست و در عوض باید به‌عنوان یک پارامتر نسبی برای مقایسه در داخل یا بین دسته‌های مختلف مواد در نظر گرفته شود؛ (3) تعریف RFH می‌تواند از یک نمودار انتخاب مواد به دیگری متفاوت باشد؛ و (4) مقدار عددی RFH حاصل معیارهایی است که با توجه به عواملی که با یکدیگر مقایسه می‌شوند به دست می‌آید و در نتیجه مقدار RFH برای یک نمودار انتخابی خاص را نمی‌توان به‌طورکلی به سایر نمودارهای انتخابی با معیارهای مختلف در محور x و y بسط داد.

 

2.2. مقایسه مواد کامپوزیت نانوپدید نانومواد برای پلیمرهای رسانا
پلیمرها به دلایل مختلفی به‌وسیله‌ی نانومواد تقویت می‌شوند. به عنوان مثال به منظور کاهش انتشار نانومواد ‌، افزایش پایداری در برابر تغییرات محیطی و یا برای تقویت عملکرد و کارایی مانند هدایت الکتریکی در پلیمرهای هدایت‌کننده‌ی ذاتی مثل PANI. نوع و میزان نانومواد بارگذاری شده در پلیمر تأثیر بسزایی بر هدایت، قیمت و CED این مواد کامپوزیتی دارد (شکل a4 و b4). توجه داشته باشید که در اینجا خطر ذاتی مواد به دلیل چالش‌های موجود در زمینه داده‌های در دسترس، به‌ویژه در ارتباط با رهایش و مواجهه با نانومواد و ضعف درک مسائل مرتبط با سمیت کامپوزیت‌ها، در نظر گرفته نمی‌شود. از نمودار انتخابی (شکل۴) ، یک محدودیت به صورت رسانایی بالاتر کامپوزیت PANI-ENM در مقایسه باPANI خالص به میزان ۱۰ برابر (شکل b۴، محدودیت ۱) و یک قید مبنی بر عدم تجاوز میزان CED بالاتر از MJ kg-1۱۰۰ (شکل b۴، محدودیت ۲) ، می‌توان تنظیم کرد. این محدودیت‌ها، مواد موجود را به نانولوله‌های کربنی تک دیواره (SWCNTs) ، MWCNTs و nTiO2 محدود می‌کنند. تلاش برای به کمینه کردن قیمت نانومواد ‌، انتخاب را به MWCNTs و nTiO2 محدود می‌کند و تلاش‌های نوآوری را تنها به دو کاندیدای مذکور متمرکز می‌نماید (شکل c۴). بدین ترتیب، عملکرد، اثرات منفی و قیمت مواد را می‌توان به‌طور هم‌زمان برای تسهیل طراحی محصولی پایدار در نظر گرفت.

 

3. پیش به‌سوی بهبود طراحی منطقی نانومواد ‌
به دنبال غربالگری و انتخاب مواد ابتدایی، ارتباط پایه‌ای بین ساختار نانومواد و خواص فیزیکی و شیمیایی آن، عملکرد و کارایی و اثرات نامطلوب، می‌تواند به دانشمندان مواد کمک کند تا خروجی‌های مطلوب را تنظیم کنند. برای مثال، اندازه، شکل و شیمی سطح خواصی هستند که می‌توانند به‌طور نسبی یا کامل از طریق روش‌های سنتز و رویکردهای پس از ساخت کنترل شوند و همه آن‌ها به‌طور قابل‌توجهی عملکرد نانومواد و پروفایل خطر را تحت تأثیر قرار می‌دهند. دانش در مورد ارتباط این پارامترها می‌تواند ابزاری را برای طراحی مواد برای عملکرد بهبودیافته و کاهش اثرات مضر فراهم کند.

به عنوان مثال، کاهش اندازه نانوذرات nAg به‌عنوان یک عامل ضدمیکروبی، منجر به افزایش فعالیت ضدمیکروبی (MIC پایین تر) و CED نسبتا بالاتر در مقایس آزمایشگاهی می‌گردد (شکل a۵). یعنی، نانومواد با بالاترین بازده (پایین‌ترین MIC) دارای یک "هزینه" زیست‌محیطی (برای مثال، CED) است. در این تعامل، نیاز به روش‌های سنتز بهبودیافته برای تولید nAg‌های کوچک با CED پایین‌تر آشکار می‌شود تا محدودیت بازده را با عملکرد زیست‌محیطی مطلوب مطابقت دهد. در خصوص مطالعه موردی ENM-PANI نتایج نشان می‌دهد که شکل nAl2O3 ممکن است روی هدایت الکتریکی کامپوزیت و مقدار CED در مقیاس آزمایشگاهی (شکل b5) اثرگذار باشد. به‌طور ویژه، دو شکل مختلفnAl2O3 هدایت الکتریکی PANI را با مقدار CED‌های مختلف افزایش می‌دهند؛

شکل نانوپولکnAl2O3 در PANI در مقایسه با شکل نانولوله nAl2O3 دارای بیشینه رسانایی، با مقدار CED چهار برابر پایین‌تر است. بنابراین، اطلاعات مواد شامل عملکرد و کارایی و اثرات زیست‌محیطی، می‌تواند طراحان را در خصوص تقویت عملکرد محصول توآم با کمینه کردن اثرات مضر توانمند سازد.

 

4. ملاحظات آینده
هرچند که این استراتژی، مانند Ashby، مسیری امیدوارکننده برای انتخاب نانومواد پایدار پیشنهاد می‌کند، اما تمام این رویکردها محدودیت‌هایی هم دارند. نمودارهای انتخاب مواد ازجمله این چارچوب‌، به معنای ابزار قطعی برای‌شناسایی مواد بهینه برای یک کاربرد خاص نیستند، بلکه با توجه به محدودیت زمان و منابع، به عنوان یک مجموعه امیدوارکننده و سازماندهی‌شده از کاندیدای مواد در نظر گرفته می‌شود. اگرچه خود این مجموعه ممکن است با توجه به ماهیت مواد انتخابی با محدودیت‌هایی همراه باشد؛ یعنی، حتی در دسته‌های مختلف مواد مانند کامپوزیت و آلیاژها، امکان تصرف کامل در ماده و دستیابی به هر ترکیب دلخواه وجود ندارد. نانومواد چالش‌های بیشتری را در این رویکرد به وجود می‌آورند. زیرا کوچک‌ترین تغییری در ساختارها و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن‌ها می‌تواند عملکرد و کارایی توآم با پیامدهای خطر را به‌طور قابل‌توجهی تحت تأثیر قرار دهد. این امر می‌تواند منجر به ایجاد "حباب" نسبتاً بزرگ برای یک دسته خاص از نانومواد شود. بنابراین انتخاب مواد با توجه به این همپوشانی دشوار است. به‌این‌ترتیب مهم است که این رویکردها بخشی از یک فرایند چندمرحله‌ای در انتخاب نانومواد مناسب محسوب شود، به گونه‌ای که مواد نامناسب در مراحل اولیه ارزیابی در فرایند طراحی، از لیست انتخاب حذف گردند.

توسعه جدول‌های انتخاب مواد، برای طراحی پایدار و منطقی نانومواد و محصولات بهبود یافته به‌وسیله‌ی نانومواد امری ضروری است. تاکنون، ارزیابی‌های ایمنی نانومواد در غیاب اطلاعات عملکردی و کارایی انجام می‌شده است که در نتیجه سوالاتی را در ارتباط با کاربرد آن‌ها در ذهن ایجاد می‌کند (یعنی ارزیابی‌های ایمنی مواد مورد آزمایش از نقطه نظر کاربرد شاید مرتبط یا ضروری نباشند).

به همین ترتیب، طراحان نمی‌توانند اثرات زیست‌محیطی را در حین توسعه و تجاری‌سازی به دلیل در دسترس نبودن داده‌های مناسب در سیستم در نظر بگیرند. با تعریف یک مجموعه از داده‌های مورد نیاز، منابع تحقیقاتی محدود در حوزه nanoEHS می‌توانند روی شکاف‌های اطلاعاتی حیاتی متمرکز شوند تا به توسعه دستورالعمل‌های طراحی برای نانومواد و محصولات بهبود یافته با نانومواد پایدار کمک کنند. به ‌نوبه خود، دانشمندان و مهندسین مواد به‌سوی سطحی از توسعه مواد که به لحاظ عملکرد قابل رقابت با مواد موجود (از طریق عملکرد تقویت یافته و یا کاهش پیامدها) باشند، هدایت می‌شوند.

به منظور تحقق این مزایا، ذینفعان مربوطه باید (۱) روی نوع داده‌های موردنیاز برای ساخت یک کتابخانه مواد موثر توافق کنند و (۲) کیفیت داده‌های استاندارد را سازمان‌دهی کنند، به گونه‌ای که همه مواد را بتوان از طریق یک فرآیند قابل مقایسه مستقیم یا یکسان ارزیابی کرد. این شیوه‌های استاندارد برای اغلب روش‌های مشخصه‌یابی مواد رایج، موجود است (برای مثال، روش‌های ASTM برای استحکام کششی) ، اما در خصوص کاربرد پیشرفته نانومواد و اثرات زیست‌محیطی عمومی، استانداردهای موجود اندک است. این بدان معنا است که معیارها یا رویکردهای مختلف، قدرت هم افزایی جامعه جمعی را برای تعیین ارتباط پارامتری یا بنیادین بین ساختار، ویژگی‌ها و خطرات نانومواد کاهش می‌دهد. جمع‌آوری و گنجاندن اطلاعات بیشتر برای معیارهای سازگار با استفاده از پروتکل‌های توافق جمعی، کاربرد نمودار برای انتخاب عمومی دسته‌های مواد/شیمیایی را بهبود می‌بخشد و موارد لازم را برای طراحی مناسب فراهم می‌کند. به طور مشابه، معیارها، در حوزه زیست‌محیطی فراتر از انرژی تجدید پذیر، مواد قابل بازیافت و اثر کربن، مانند سمیت زیستی و تقاضای تجمعی آب، هنوز در حال توسعه است. علاوه‌بر این، سازگاری بهبود یافته در خصوصیات نانومواد و معیارها می‌تواند منجر به ظهور چارچوب‌های مبتنی بر نرم‌افزار همراه با پیش‌بینی مواد از طریق روش‌های تئوری شود که در نهایت امکان محاسبه مواد آرایش یافته یا هیبرید شده را فراهم می‌کند. با این حال، تصویرسازی از تمام فضای مواد ممکن به طور همزمان، ممکن است ارزش راهبرد Ashby را تحت‌تأثیر قرار دهد. در حقیقت، کاربران آینده احتمالا باید مشخص کنند که به چه بخشی از فضای مواد می‌خواهند دسترسی داشته باشند. ضمن اینکه با محدودیت افزودن پارامترهای محاسبه‌شده از طریق تئوری و یا محاسبه شده از طریق آزمایش تجربی در این روش‌ها روبرو هستند.

 

نتیجه‌گیری
با توجه به اعمال نفوذ چارچوب‌های متداول انتخاب مواد که بر پایه عملکرد و قیمت متمرکز بوده و پیش از این نیز برای طراحان و مهندسین مواد آشنا بوده‌اند، در نظر گرفتن نانومواد و اثرات زیست‌محیطی و سلامت انسان آن‌ها به‌دلیل تداوم توسعه و رشد سرمایه‌گذاری در حوزه نانومواد ‌، به‌طور فزاینده‌ای مهم خواهد بود. راهبرد انتخاب سیستماتیک ارائه‌شده در اینجا مزایای عملی چندجانبه‌ای را پیشنهاد می‌کند، ازجمله؛ (1) انتخاب ماده بهینه از میان نانومواد و مواد/شیمیایی موجود، با در نظرگیری جنبه‌های مختلف (به‌عنوان‌مثال عملکرد، پیامدهای زیست‌محیطی و سلامت انسان، قیمت) ، (2) درنظر گرفتن ریسک‌های واقعی یا متصور و (3) پرهیز از جایگزین‌های تأسف‌بار. این چارچوب به فرایند انتخاب مواد ارزش می‌دهد و با تمرکز بر منابع محدود، موجب توسعۀ فهرست نانومواد می‌شود. علاوه‌بر این، از جمله اثرات گسترده چارچوب پیشنهادی می‌توان به برجسته کردن شکاف‌های داده‌ای موجود به منظور تحرک بخشی در حوزه تحقیقات مورد نیاز و ایجاد ابزاری برای اطلاع‌رسانی در جهت طراحی نانومواد و محصولات بهبود یافته به‌وسیله‌ی آنها اشاره کرد. این امر به شرکت‌های حوزه فناوری نانو برای حل چالش‌های اجتماعی در کوتاه‌مدت و به صورت پایدار برای نسل‌های آینده کمک می‌کند.

 

منبع:


Mark M. Falinski et all., "A framework for sustainable nanomaterial selection and design based on performance, hazard, and economic considerations", Nature Nanotechnology, 2018, https: //doi.org/10.1038/s41565-018-0120-4.