آلودگی رادیو اکتیو بسیار خطرناک است و مایهی نگرانی جدی در برنامهی هستهای جهان امروز است. به ادامهی مطلب بروید تا نگاهی اجمالی نسبت به تأثیرات آلودگی رادیو اکتیو به دست آورید.
آلودگی هستهای زمانی به وجود میآید که فرآوردههای جانبی یک فعل و انفعال هستهای، چه ساختهی دست بشر باشد و چه طبیعی، در محیط زیست و یا در مجاورت مناطق مسکونی بشری رها گردند. نیروگاههای هستهای و ایستگاههای تحقیقاتی مهمترین عوامل سهیم در زبالههای رادیو اکتیو ساختهی دست بشر هستند. این امکانات موجب پیدایش یک فعل و انفعال هستهای (معمولاً شکافت) به منظور تولید انرژی (الکتریسیته) و یا انجام تحقیقات میشوند. هنگامی که یک اتم سنگین یک سوخت هستهای مانند اورانیوم، دست خوش شکافت هستهای میگردد، منجر به ایجاد دو هستهی دختر میگردد، که هر کدام به نوبهی خود رادیو اکتیو هستند. این فرآوردههای جانبی قابل استفادهی مجدد نیستند و از این رو باید دور ریخته شوند. وارد سازی این فرآوردههای جانبی رادیو اکتیو موجب ایجاد آلودگی میگردد.
آلودگی رادیو اکتیو به خاطر افزایش استفاده از سوخت هستهای به سرعت در حال تبدیل شدن به دغدغهای بزرگ است. فرآوردههای رادیو اکتیو فعل و انفعالات هستهای بدون هر گونه اقدامات پیش گیرانهای در جهت جدا سازی اجزای مضر آنها که میتواند موجب آلوده گردیدن هوا، خاک و آب شود، دور ریخته میشوند. بخش عظیمی از زبالههای رادیو اکتیو از محل رآکتورهای اتمی به کار برده شده در نیروگاههای اتمی برق و بسیاری از دیگر مقاصد به دست میآیند. امکان دارد تا این امر در طول فرآیندهای استخراج و پالایش مواد رادیو اکتیو نیز اتفاق بیافتد.
زبالههای رادیو اکتیو موجب ایجاد تابشهای رادیو اکتیو و هم چنین گسیل کردن فرآوردههای رادیو اکتیو میشوند. رادیو اکتیویته از دست دادن خود به خودی انرژی به وسیلهی یک اتم نا پایدار در شکل فرآوردههای مختلف هستهای (تشعشع) است. این امر کمک مینماید تا اتم به شکلی نسبتاً پایدارتر دست یابد. این از دست رفتن خود به خودی که با نام تحلیل رادیو اکتیو نیز شناخته میشود تا زمانی ادامه پیدا مینماید که اتم به شکلی پایدار (غیر رادیو اکتیو) دست یابد.
دلیل این که تشعشع به عنوان یک خطر محسوب میگردد این است که از مقدار انرژی لازم برای یونیزه کردن یک اتم پایدار به وسیلهی جدا کردن یک الکترون از آن برخوردار است. در صورتی که تابش یونیزه کننده وارد جسم یک موجود زنده گردد، مولکولهای موجود در جسم آن را یونیزه مینماید. این امر موجب شکل گیری تعداد زیادی از رادیکالهای آزاد میگردد که با اجزای حیاتی جسم مورد نظر واکنش نشان میدهند و با شکل دهی ترکیباتی جدید به جای آنها اثرات آنها را خنثی مینماید. این امر میتواند منجر به سرطان گردد.
سه نوع اصلی گسیلهای مواد رادیو اکتیو عبارت هستند از: پرتو آلفا، پرتو بتا و پرتو گاما. از میان این سه پرتو، اثر ذرات آلفا (که در واقع یک اتم هلیوم است) کمترین و اثر پرتوهای گاما بیشترین است. ذرات آلفا را میتوان تنها با استفاده از یک صفحه‌ی کاغذ (و یا در یک فاصلهی کافی، حتی با استفاده از هوا!) مسدود نمود، در حالی که حفاظت از ذرات گاما مستلزم صفحات سربی ضخیم است. با این وجود، از آن جایی که آنها میتوانند در تماس مستقیم با اندامهای داخلی و مایعات مهم بدن مانند خون قرار گیرند، جذب شدن و یا تزریق ذرات آلفا میتواند مرگ بار باشد. تشعشع تنها به هنگامی آسیب رسان خواهد بود که در تماس با بدن قرار گیرد. در صورت که بتوان از آن جلو گیری نمود، "وجود" میزان کمی رادیو اکتیویته آسیب رسان نخواهد بود.

اثرات سوءِ زبالههای رادیو اکتیو

بر روی محیط زیست

? هنگامی که خاک به وسیلهی مواد رادیو اکتیو آلوده شده باشد، مواد آسیب رسان به گیاهانی که در آن پرورش داده می‌شوند منتقل میگردند. این امر منجر به بروز جهش ژنتیکی شده و بر روی عمل کرد طبیعی گیاه تأثیر گذار خواهد بود. امکان دارد تا برخی از گیاهان پس از قرار گرفتن در معرض چنین شرایطی نابود گردند، در حالی که ممکن است تا برخی دیگر دانههایی ضعیف را به وجود آورند. خوردن هر قسمتی از گیاه آلوده، در درجهی اول میوهها، موجب بروز خطراتی جدی برای سلامت میگردد. از آن جایی که گیاهان بنیاد تمامی زنجیرههای غذایی هستند، آلودگی آنها میتواند منجر به رسوب رادیو اکتیو به سر تا سر شبکهی غذایی گردد. به طور مشابه، هنگامی که زبالهی رادیو اکتیو به منابع آب راه پیدا کند، این امر میتواند تمام شبکهی غذایی آبی را تحت تأثیر خود قرار دهد.
? هر دو آلودگی رادیو اکتیو خاکی و آبی میتوانند منتهی به مصرف انسان گردند. از آن جایی که انسانها در رأس شکارچیان قرار دارند، انباشتگی مواد رادیو اکتیو در آخرین مرتبهی زنجیرهی غذایی به نهایت خود خواهد رسید.

بر روی انسانها

? تأثیر آلودگی رادیو اکتیو بر روی انسانها میتواند از سطح خفیف تا کشنده متغیر باشد؛ میزان بزرگی اثرات سوء به مقدار بسیار زیاد به سطح و مدت قرار گرفتن در معرض رادیو اکتیویته بستگی دارد. سطح پایین قرار گیری در معرض مواد رادیو اکتیو تنها میتواند اثری سطحی را در بر داشته باشد و موجب سوزش خفیف پوست گردد. اثرات قرار گیری طولانی اما کم شدت در معرض مواد رادیو اکتیو عبارت هستند از حالت تهوع، استفراغ، اسهال، ریزش مو، کبودی به علت خون ریزی زیر پوستی و غیره.
? قرار گیری طولانی مدت در معرض مواد رادیو اکتیو و یا قرار گرفتن در معرض مقادیر بالایی از تشعشع میتواند اثرات بسیار جدیتری را بر روی سلامت ایجاد نماید. پرتوهای رادیو اکتیو میتوانند موجب بروز صدماتی جبران ناپذیر بر روی مولکولهای DNA گردند و میتوانند منجر به بروز عوارضی کشنده شوند. قرار گیری طولانی مدت در معرض پرتوهای رادیو اکتیو موجب میگردد تا تعداد زیادی از مولکولهای درون بدن به صورت رادیکالهای آزاد یونیزه گردند. رادیکالهای آزاد موجب پیش رفت رشد سلولهای سرطانی، یعنی تومور میگردند. افرادی که به شدت در معرض تشعشعات رادیو اکتیو قرار دارند از ریسک بالایی در جهت مبتلا شدن به بیماری سرطان برخوردار هستند.
? سلولهای به شدت رو به رشد و یا در حال تقسیم، به مانند پوست، مغز استخوان، رودهها و غدد جنسی از حساسیتی بیشتری نسبت به گسیلهای رادیو اکتیو برخوردار هستند. از طرف دیگر، آن دسته از سلولهایی که دست خوش تقسیم سریع سلولی میشوند، مانند سلولهای استخوانی و سلولهای عصبی به سادگی مورد آسیب قرار نمیگیرند.
بیماریهای سرطان پوست، سرطان ریه و سرطان تیروئید برخی از انواع شایع سرطانهایی هستند که به وسیلهی تشعشعات رادیو اکتیو به وجود میآیند.
? هم چنین اثرات جهش ژنتیکی به نسلهای آینده نیز انتقال پیدا مینمایند. به عبارت دیگر، در صورتی که والدین در معرض تشعشعات هستهای قرار گرفته باشند، فرزند آنها چه از لحاظ جسمانی و چه از لحاظ ذهنی دست خوش نقص عضوهای مادر زادی شدیدی میگردد. این موضوع به شکلی فاجعه بار در مورد هیروشیما و ناکازاکی به تصویر کشیده شده است، جایی که اثرات پس از تشعشعات هستهای تا نسلها بعد انتقال پیدا کرد و هزاران کودک با نا به هنجاریهای جسمانی و عقب افتادگی ذهنی به دنیا آمدند. تشعشع هم چنین موجی از سرطان را با خود به همراه آورد؛ این منطقه هنوز هم (پس از گذشت بیش از 65 سال) از میزان بسیار بالاتری از موارد سرطان و نا به هنجاریهای مادر زادی به نسبت دیگر نقاط کشور ژاپن برخوردار است.
هیچ گونه محدودهی امنی برای تشعشعات رادیو اکتیو وجود ندارد، چرا که حتی کوچکترین ذره هم تا حدودی بر روی بدن اثر میگذارد و این توانایی را در خود دارد تا بسیار خطرناک واقع گردد. با این وجود، رادیو اکتیویته را میتوان با دستگاههای مختلفی مورد شناسایی قرار داد، تا بتوان بدین وسیله اقداماتی پیش گیرانه را به عمل آورد. دستگاه پرتو سنج گایگر، دستگاهی است که به طور گسترده برای آشکار سازی رادیو اکتیویته به کار گرفته میشود.
تأثیرات رادیو اکتیویته را میتوان بر اساس سه روش خنثی نمود.
زمان: به سرعت هر چه تمامتر از منطقهی آلوده شده خارج گردید.
فاصله: تا جای امکان از منطقهی آلوده گردیده فاصله بگیرید. ذرات رادیو اکتیو قابلیت ویرانگری خود را مدیون سرعت اولیهی خود هستند که آنها ار قادر میسازد تا در پوست ما نفوذ نمایند. این ذرات در مسافتهای دور سرعت خود را از دست میدهند و از این رو دیگر قادر نخواهند بود تا به پوست بدن نفوذ نمایند.
استحفاظ: استحفاظ در مشاغلی به کار گرفته میشود که تماس پیدا کردن با مواد رادیو اکتیو امری رایج است و نمیتوان از آن جلو گیری به عمل آورد. سرب عمدتاً به عنوان یک حفاظ مواد رادیو اکتیو به کار گرفته میشود.

مدیریت پسماند

خطر زبالههای رادیو اکتیو را میتوان تا حد بسیار زیادی کاهش داد، و یا حتی این که آن را کاملاً از میان برد، در صورتی که طی زمانی مناسب قبل از دفع شدن آنها را در جایی انبار کرد.
همان گونه که قبلاً هم توضیح داده شد، هر گونه مادهی رادیو اکتیو دست خوش فرآیند تحلیل رادیو اکتیوی میگردد تا این که یک ایزوتوپ غیر رادیو اکتیو و یا یک عنصر غیر رادیو اکتیو متفاوت شکل گیرد. زمان لازم برای دست یافتن به یک فرآوردهی جانبی غیر رادیو اکتیو نسبت به هر عنصر رادیو اکتیوی متفاوت است. تا آن زمان این مواد باید در وضعیتی جدا سازی شده نگه داری گردند، به نحوی که محیط زیست در معرض آنها قرار نگیرد.
فرآیندهای مختلفی در جهت کاهش دادن میزان رادیو اکتیویتهی فرآوردههای جانبی ذخیره شده به عمل در‌آورده شدهاند. برخی از بهترین روشها برای انجام این کار عبارت هستند از شیشه سازی (تشکیل دادن مخلوطی از زبالههای رادیو اکتیو و شیشه و نگه داشتن آنها در محفظههایی فولادی)، استفادهی مجدد از زبالههای رادیو اکتیو تا زمانی که به اندازهی کافی بی خطر گردد (هر چند این راه کار در حال حاضر امکان پذیر نیست و هم اکنون تحقیقات در این زمینه در حال انجام هستند) و نگه داشتن سوخت هستهای استفاده شده در بشکههای چوبی خشک پس از این که برای مدتی طولانی در حوضچههای سوخت استفاده شده به مدت حد اقل یک سال عمل آوری گردید.

رادیو اکتیویته به طرز شگفت ‌آوری در حیطه‌های بسیاری از پزشکی گرفته تا نگه داری مواد غذایی دارای کار برد است. اگر دوست دارید بیشتر در این باره بدانید پس به خواندن ادامه دهید.
رادیو اکتیویته را می‌توان به عنوان یک فرآیند فیزیکی تعریف کرد که در آن عناصر دارای هسته‌های اتمی نا پایدار از هم فرو پاشیده و یک هسته‌ی اتمی کوچک‌تر را شکل می‌دهند. در جریان این فرآیند سه نوع اشعه‌ی مختلف ساطع می‌شوند که عبارتند از آلفا (α)، بتا (β) و گاما (γ). برخی از عناصری که به طور معمول یافت می‌شوند و از خواص رادیو اکتیو برخوردارند عبارتند از اورانیوم، توریوم، پولونیوم، و غیره.

رادیو اکتیویته چگونه به کار گرفته می‌شود؟

پزشکی

هنگامی که از اشعه‌های رادیو اکتیو جهت درمان بیماری‌ها استفاده می‌شود این فرآیند را رادیو تراپی می‌نامند. در جریان این فرآیند، دوز بالایی از اشعه‌های گاما به درون سلول‌های سرطانی نا رس و دارای سرعت رشد بالا تابانده می‌شود تا این سلول‌ها را از بین ببرد. این کار باعث کشته شدن سلول‌های بد خیم می‌شود اما به سلول‌های معمولی آسیبی وارد نمی‌کند. یک فرآیند درمانی مشابه نیز در راستای از بین بردن تومورها انجام می‌گیرد. این فرآیند هم چنین با هدف تشخیص چند بیماری استفاده می‌گردد. قرص‌های رادیواکتیو در راستای تشخیص این امر استفاده می‌شوند که آیا اندام‌های بدن دارای کار کرد نرمال هستند یا نه. رادیو اکتیویته به تعیین مکان دقیق تومور یا لخته خون در بدن کمک می‌کند. اشعه‌ی رادیو اکتیو موسوم به آیودین 123 به طور گسترده برای تشخیص مشکلات تیروئیدی استفاده می‌شود. کبالت 67 برای تشخیص کم خونی کشنده مفید و مؤثر است. رادیو اکتیوته هم چنین به ضد عفونی کردن ابزارهای پزشکی کمک می‌کند.

تعیین عمر سنگ‌ها

سنگ‌ها حاوی رگه‌هایی از کربن 14 هستند و کربن 14 ذاتاً دارای اندکی خواص رادیو اکتیو است. در طول یک دوره زمانی، هسته‌ی اتمی نا پایدار رادیو ایزوتوپ رو به زوال گذاشته و ایزوتوپ‌های پایدار را تشکیل می‌دهد. به ایزوتوپ نا پایدار اولیه ایزوتوپ مادر می‌گویند و ایزوتوپ پایدار حاصله را ایزوتوپ دختر می‌نامند. با مقایسه‌ی نسبت مقادیر این دو ایزوتوپ که در نمونه‌ی جمع آوری شده‌ی سنگ وجود دارند می‌توان سن دقیق سنگ را تعیین کرد. هر چه سن سنگ بیشتر باشد مقدار کربن 14 موجود در آن کمتر است.

کار بردهای دیگر

راکتور اتمی ابزاری است که به تولید تشعشعات رادیو اکتیو به شکل کنترل شده کمک می‌کند. میزان عظیم انرژی که در جریان واکنش شکافت هسته‌ای در درون راکتور تولید می‌شود در راستای تولید انرژی الکتریکی به کار گرفته می‌شود. محصولات شکافت پذیر جدید و سودمندی نیز در جریان این فرآیند به دست می‌آیند. رادیو اکتیویته به شکل گسترده با هدف تحقیق و آنالیز فرآیندهای گوناگون فیزیکی، شیمیایی و بیو لوژیکی به کار گرفته می‌شود. رادیو اکتیویته هم چنین از کار بردهای فراوانی در صنایع مختلف تولیدی در سر تا سر دنیا برخوردار است. برای آزمایش استحکام محصولات تولیدی مانند جوش اتصال لوله‌ها، قطعات هواپیما، دیگ‌های بخار و غیره از رادیو اکتیویته استفاده می‌شود.
رادیو اکتیویته هم چنین در مطالعات تحقیقی در بخش کشاورزی از کار بردهای گوناگونی برخوردار است. فسفر 32 به کود فسفات افزوده می‌شود تا بتوان میزان دقیق فسفات موجود در کود که توسط گیاه جذب می‌شود را مشخص ساخت. کبالت 60 در راستای ارتقای کمّی و کیفی تولیدات کشاورزی استفاده می‌شود. رادیو اکتیویته هم چنین با هدف ضد عفونی کردن مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این راستا، اشعه‌های متمرکز بر محصولات غذایی تابانده می‌شوند تا بدین طریق بتوان میکرو ارگانیزم‌های عامل آلودگی در این محصولات را به طور مؤثر از بین برد. این در واقع یک شیوه کاملاً ایمن است که باعث هیچگونه مسمومیتی نمی‌شود.
رادیواکتیویته را باید به شیوه‌ای بسیار کنترل شده به کار گرفت، زیرا از خطرات بالقوه‌ای برخوردار است. اگر بدن انسان در معرض تشعشعات رادیواکتیو قرار بگیرد این تشعشعات می‌توانند باعث بروز بیماری سرطان و هم چنین جهش ژنتیکی شوند.

چکیده

نانوتیوب های کربنی (CNTs)، فلرن هایی هستند که دارای نسبت طول به عرض بسیار بالایی هستند. این مواد به طور گسترده از زمان کشف یعنی سال 1991، مورد مطالعه قرار گرفته اند. علت اصلی استفاده از این مواد، خواص فیزیکی فوق العاده ی آنهاست. این خواص موجب بروز خواص الکترونیکی، مکانیکی و گرمایی ممتاز در این مواد شده است. برای کاربردهای مختلف، خواص و ساختارهای مختلف بسیار مهم می باشند. نانوتیوب های کربنی کامل دارای مدول یانگ بالایی هستند اما سایر نانوتیوب های کربنی ممکن است عیوب زیادی داشته باشند که در این شرایط، امکان ایجاد عملکردهای کوالانسی و غیر کوانسی وجود ندارد. نانوتیوب های منفرد دارای اثرات کوانتمی هستند و ساختارهای سازماندهی شده ای ایجاد می کنند که دارای میلیون ها نانوتیوب هستند و می توان با این سازماندهی، هماهنگی این اجزا را افزایش داد. این ویژگی های ساختاری دارای اهمیت بالایی هستند مثلا خواص الکتریکی نانوتیوب ها به طور ناگهانی به عنوان تابعی از قطر و خواص تیوب، تغییر می کند.
در این مقاله، ما به طور خلاصه تاریخچه و مهم ترین دستآوردهای چند دهه ی گذشته در زمینه ی رشد نانوتیوب های کربنی را مورد بررسی قرار می دهیم. در این مقاله بر روی روش های رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) تمرکز داریم. در این روش های رسوب دهی، کاتالیست در طی فرایند رسوب دهی، به داخل بخار وارد می شود. ما نشان داده ایم که روش هنرمندانه ی ارائه شده در این مقاله می تواند هم برای تولید نانوتیوب های کربنی تک دیواره و هم چند دیواره، کاربرد دارد. برای بیان کاربردهای ممکنه برای نانوتیوب های کربنی و ساختارهای آنها، ما در مورد فیلترهای با بازده بالا، فنرها و جاروبک های با اندازه ی نانو، وسایل بر پایه ی نشر میدانی، سنسورهای تفکیک گاز با فشار پایین و استفاده از نانوتیوب ها به عنوان تقویت کننده ی کامپوزیتی.

خواص اصلی و کاربردهای الکتریکی نانوتیوب های کربنی

یک نانو تیوب تک دیواره (SWNT) ممکن است به عنوان یک مولکول عظیم یک بعدی در نظر گرفته شود که به طور کامل از کربن با هیبریداسیون تشکیل شده اند؛ این در حالی است که خواص نانوتیوب های چند دیواره (MWNTs) به گرافیت نزدیک ترند. برای تولید ساختارهای گرافیتی با انتهای بسته، نیاز است تا عیوب کریستالی توپولوژیک در داخل ساختار هگزاگونال صفحات گرافیتی ایجاد شود. خواص فیزیکی و شیمیایی فوق العاده و کاربردهای ممکنه می تواند به خاطر وجود یک بعدی بودن و نحوه ی قرارگیری صفحه ی گرافیتی می باشد. علاوه بر خواص فوق العاده ی نانوتیوب های منفرد، رفتار تجمعی آنها نیز در بیشتر سیستم ها مهم می باشد. همچنین برهمکنش آنها با همدیگر و محیط آنها نیز مهم می باشد برای مثال، یک زمینه ی پلیمری. در شکل 1 چند کاربرد نانوتیوب های کربنی نشان داده شده است. برای مثال، مورد اول که در سمت بالا- چپ نشان داده شده است، نانوتیوب های کربنی چند دیواره را نشان می دهد که با الکترودهای فلزی در تماس هستند. این ساختارهای نانوتیوبی ممکن است به عنوان بخش های اتصال دهنده ی الکتریکی داخلی یا به عنوان وسایل نیمه رسانای فعال، مورد استفاده قرار گیرند، اما پی بردن به خواص ویژه و تعریف شده ی نانوتیوب به صورت منفرد، کاری سخت است. آزمون الکتریکی این ساختارها و ساختارهای مشابه، نشان می دهد که دانسیته ی کنونی نانوتیوب های کربنی می تواند تا تا افزایش یابد (شکل سمت راست- بالا) بدون آنکه آسیبی ایجاد گردد. نانوتیوب های کربنی چند دیواره ی مورد استفاده در این آزمایشات با استفاده از روش تخلیه ی قوس الکتریکی، تولید شده اند. قطر دو نمونه از این نانوتیوب ها برابر با 8.6 و می باشد. مقاومت های 2 و 4 ترمینالی در هوا و در دمای محیطی ، اندازه گیری شد. اندازه گیری به مدت 334 ساعت ادامه یافت و نانوتیوب هایی که این جریان های بالا را دریافت کردند، تخریب شدند.
به عبارت دیگر، وقتی دانسیته جریان در پوسته ای خاصی از نانوتیوب کربنی چند دیواره یا در یکی از نانوتیوب های کربنی تک دیواره موجود در گروهی از نانوتیوب ها، افزایش یابد، آن پوسته از نانوتیوب چند لایه یا نانوتیوب تک دیواره، تخریب می شود. با انجام این کار، بخش باقی مانده از نانوتیوب تک دیواره یا چند دیواره، به طور کامل نیمه رسانا یا فلزی می شود. یک روش جالب، ایجاد آرایه ای از نانوتیوب ها به صورت عمودی است. در این روش، نانوتیوب ها کربنی به عنوان بخش های اتصال دهنده ی داخلی و یا المان های فعال عمل می کنند. دو کاربرد آخر که در شکل 1 نشان داده شده است، در بخش پایینی قرار گرفته اند. در این کاربردها، از نانوتیوب های کربنی برای تولید فیلامنت هایی استفاده می کنند. این فیلامنت ها، برای تولید لامپ های برق معمولی، استفاده می شود (شکل پایین سمت چپ). خواص مکانیکی و مقاومت به اکسیداسیون این نانوتیوب ها بهتر از هر نوع فلزی است. نانوتیوب های چند دیواره ممکن است به صورت نخ های نانوتیوبی خالص و یا پارچه ایجاد شوند. یک کاربرد ممکنه از پارچه های تولید از این نانوتیوب ها، تولید دستگاه های تابش نور صفحه ای است. این صفحات دارای کاربردهای جالبی است. موفقیت اخیر در این زمینه، تولید فیلم های نازک شفافی است که از نانوتیوب های چند دیواره ی کربنی تولید می شوند. این وسایل دارای کاربردهای بالقوه ای در وسایل تابش نور می باشد.

روش های مختلف در تولید نانوتیوب های کربنی

روش های تولید نانوتیوب های کربنی می تواند بر اساس نوع نانوتیوب (تک دیواره و چند دیواره)، طبقه بندی شوند. این مسئله باید تذکر داده شود که هر دو نوع نانوتیوب تک دیواره و چند دیواره می تواند از طریق روش تخلیه ی الکتریکی قوسی، تولید شوند. این قوس میان دو الکترود کربنی انجام می شود که الکترودها دارای کربن و مواد کاتالیسیتی است و بین الکترودها، گاز خنثی قرار گرفته است. امروزه نانوتیوب ها و مواد مشتق شده از آنها از طریق روش های مختلفی تولید می شوند. این روش ها عبارتند از روش های تخلیه ی قوسی در دمای بالا، تبخیر لیزری هدف های گرافیتی و تکنیک های رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار. تولید با روش های قوس الکتریکی و لیزری عموما با سختی بیشتری افزایش مقیاس پیدا می کنند. به هر حال، حتی این روش ها نیز به طور متداول برای تولید مقادیر در حد گرم از نانوتیوب ها مورد استفاده قرار می گیرند. نمونه های نانوتیوب تولید شده با روش های مختلف هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله، به دلیل اهمیت تولید نانوتیوب های کربنی با استفاده از روش های رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) در سال های اخیر، ما بر روی این روش های تولید تمرکز می کنیم.

رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار به عنوان یک ابزار آسان برای رشد نانوتیوب ها

رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار یک ابزار قدرتمند در شیمی، مهندسی شیمی، مهندسی مواد و نانوتکنولوژی است. این روش، روشی متداول در تولید نانوتیوب های کربنی و روشی شناخته شده در تولید فیلترهای کربنی است. برخلاف سایر روش ها، رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار می تواند در مقیاس تولید بالا مورد استفاده قرار گیرد. هم اکنون از این روش به صورت تجاری در تولید نانوالیاف استفاده می شود. نانوالیاف نیز موادی هستند که در اندازه ی نانوتیوب ها هستند. علاوه بر این، رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار می تواند برای تولید آرایه هایی از نانوتیوب های مسطح، زیرلایه های سه بعدی و غیره، استفاده شود.
روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار برای رشد نانوتیوب های کربنی، روشی ساده است. در این روش، یک گاز هیدروکربنی به مخزن وارد می شود و یک گاز خنثی دیگر مانند هلیوم یا آرگون نیز به عنوان گاز حامل به داخل مخزن وارد می شود. واکنش در داخل مخزنی انجام می شود که توانایی حرارت دهی آن وجود دارد. سایر مزیت های روش رسوب دهی شیمیایی این است که این روش نیازی به استفاده از تمپلیت ندارد و در واقع رسوب دهی بر روی زیرلایه انجام می شود. در واقع با استفاده از این روش، امکان رسوب دهی مستقیم نانوتیوب های کربنی بر روی محل های پیش تعیین شده، وجود دارد. نانوتیوب ها می توانند همچنین بر روی Si، ، SiC، MgO، ، زئولیت، کوارتز و شیشه، فلزات کاتالیستی مانند Fe، Co، Ni و Mo و یا ترکیبی از آنها، رسوب دهی شوند. پارامترهای اصلی برای کنترل فرایند رشد، منبع هیدروکربنی، سرعت جریان گازها، دمای واکنش، کاتالیست مورد استفاده و زیرلایه می باشد. در دماهای پایین، استیلن یا اتیلن، ممکن است به عنوان منبع کربن در تولید نانوتیوب های کربنی چند دیواره، مورد استفاده قرار گیرند در حالی که، در دماهای بالاتر، متان یا مونوکسید کربن ممکن است برای تولید نانوتیوب های تک دیواره مورد استفاده قرار گیرند. ورود مواد آلی گوگرد دار یا بخار آب، تولید نانوتیوب های تک دیواره را تسهیل می کند. برای تولید نانوتیوب های کربنی تک دیواره، الکل نیز مورد استفاده قرار می گیرد. به دلیل اینکه قطر نانوتیوب های تولید شده، به طور قابل توجهی به اندازه ی ذرات کاتالیستی مورد استفاده بستگی دارد، سنتز نانوتیوب های کربنی تک دیواره، نیازمند استفاده از لایه های فلزی کاتالیستی نازک و مناسب می باشد. لایه های فلزی کاتالیستی ضخیم معمولا موجب تولید نانوتیوب های چند دیواره و یا تولید الیاف کربنی می شود. یکی دیگر از مزیت های روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، امکان تولید لایه های تشکیل شده از نانوتیوب های موازی می باشد. چند مثال از رشد کنترل شده ی لایه های نانوتیوب کربنی در شکل 2 و 3 نشان داده شده است. در حال حاضر، هم لایه های تولیدی از نانوتیوب های تک دیواره و هم چند دیواره، با میزان موازی بودن بالا، تولید شده اند. شکل 2، تصاویر SEM از فیلم های تولیدی از نانوتیوب های کربنی چند دیواره، را نشان می دهد. شکل 3 مثال هایی از رشد نانوتیوب های کربنی چند دیواره با استفاده از روش اصلاح تمپلیت را نشان می دهد. در این روش، اندازه ی ذرات کاتالیست کنترل می شود.
نتایج اخیر نشان دهنده ی قابلیت انعطاف پذیری بالای روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار است. با قرار دادن ذرات کاتالیست بر روی زیرلایه و کنترل شرایط رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، می توان کنترل دقیقی بر روی معماری نانوتیوب، ایجاد کرد. با کنترل های بیشتر بر روی این فرایند، می توان ساختارهایی با تعداد نانوتیوب معین، نانوتیوب هایی با قطر معین و خواص دیگر تولید کرد.

رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار با فراهم آمدن کاتالیست از فاز بخار

علارغم انجام کارهای فراوان بر روی بهینه سازی میزان کاتالیست و نسبت کاتالیست به زیرلایه در فرایند سوب دهی شیمیایی از فاز بخار، کنترل دقیق و استحاله های انجام شده در لایه ی کاتالیستی، قبل و در طی فرایند رشد، هنوز هم به عنوان یک چالش مطرح می شود. یک روش دیگر که در آن، رشد نانوتیوب ها انجام می شود، این است که زیرلایه تحت مخلوط بخاری فروزن- زایلن قرار گیرد. این فرایند در دمای انجام می شود. در عمل، نانوتیوب ها به صورت گرمایی بر روی ویفرهای سیلیکونی اکسید شده، رشد داده می شوند. این کار با استفاده از زایلن به عنوان منبع کربن و فروزن به عنوان کاتالیست آهن، انجام می شود. یک مثال از این نوع مواد تولید شده در شکل 2 (پایین- سمت راست) نشان داده شده است. برای انجام فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، فروزن در داخل زایلن و با غلظت 0.01 گرم بر میلی لیتر حل می شود و در دمای پیش گرم می شود. همراه با این فرایند، فرایند تبخیر انجام می شود و بخارات حاصله به داخل محفظه ی رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار وارد می شود. این محفظه به طور تدریجی تا دمای مناسب تا 800 الی حرارت دهی می شود. در این روش، ذرات کاتالیستی به طور مستقیم به داخل نقطه ی رشد، وارد می شود و از چسبیدن آنها به همدیگر جلوگیری می شود.

رشد انتخابی با روش تحویل کاتالیستی

در حالی که روش تحویل کاتالیستی فاز بخار، مشکل کنترل اندازه ی کاتالیست را برطرف می کند، این روش قابلیت کنترل محل قرارگیری کاتالیست را ندارد و از این رو الگوی نانوتیوب ها به طور انتخابی بر روی زیرلایه ها ایجاد می شود. به هر حال، بسته به الگوهای لایه ی کاتالیستی قرار گرفته بر روی زیرلایه که با استفاده از لیتوگرافی نوری ایجاد شده اند، محل قرارگیری نانوتیوب های کربنی تولید شده با روش رشد کاتالیستی فاز بخار، می تواند با ایجاد تفاوت در زیرلایه، قابل کنترل می باشد. این مسئله باید تذکر داده شود که رشد نانوتیوب ها به طور قابل توجهی به زیرلایه وابسته است. این به طور واضح نشان داده شده است که نانوتیوب های کربنی می تواند بر روی زیرلایه های سیلیسی رشد داده شود ولی این رشد بر روی زیرلایه های سیلیکونی مشاهده نشده است. رشد نانوتیوب ها بر روی سیلیس به صورت موازی با هم انجام می شود. آنالیز TEM نشاندهنده ی این است که نانوتیوب های تولید با این روش دارای قطری بین 30 تا 50 نانومتر و طول آنها چند صد میکرون می باشد.

خواص رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار با روش تحویل کاتالیستی فاز بخار

رشد انتخابی بر روی زیرلایه های سیلیکونی و سیلیسی

این تمپلیت دارای نقش غریبی در فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار می باشد. و به دلیل انتخابی بودن رشد بر روی سیلیکون و سیلیس، این فرایندها به طور جزئی مورد آنالیز قرار گرفته است. یک تصویر بسته از سطح نمونه ها بعد از رشد با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، نشان می دهد که بسیاری از ذرات (مواد فلزی که از پیش ماده ی فروزنی ایجاد شده اند)، بر روی سطح سیلیکون تشکیل شده اند، اما این ذرات ظاهرا به رشد نانوتیوب های کربنی، کمک نمی کنند. به عبارت دیگر، یک لایه ی پر دانسیته از نانوذرات آهن بر روی سطح اکسید سیلیکون مشاهده شده است که موجب می شود تا نانوتیوب ها به صورت موازی قرار گیرند. اندازه ی ذرات مشاهده شده در ناحیه ی اکسید سیلیکون در حدود 20 تا 40 نانومتر بود اما در ناحیه ی سیلیکون، قطر این نانوتیوب ها بزرگتر است. تصاویر TEM از سطح مقطع نمونه ها اطلاعات بیشتری در مورد ذرات آهن دار به ما می دهد. تصاویر TEM از سطح مقطع این بخش ها، نشاندهنده ی زیرلایه ی نانوتیوبی و ذرات دارای آهن است. در اینجا مهم ترین ویژگی، حضور ذرات با اشکال غیر منظم با قطری بین 20 تا 40 نانومتر بر روی سطح ناحیه ی اکسیدی و بخش های داخلی نانوتیوب می باشد. بر روی سطح تمپلیت های سیلیکونی، هیچ اثری از نانوتیوب ها مشاهده نشده است. به هر حال، ذرات بزرگتر و زیرمیکرونی در زیر سطح مشاهده شده است. نتایج حاصل از تفرق اشعه ی الکترونی نشان داده است که این ذرات نانومتری و با شکل غیر منظم که بر روی سطح اکسید سیلیکون قرار دارند، از آهن گاما (FCC) تشکیل شده اند؛ اما بر روی سطح سیلیکون، الگوهای تفرق نشاندهنده ی تشکیل آهن سیلیسید و آهن سیلیکات است.
بر روی تمپلیت سیلیسی، کربن از فاز گازی در داخل ذرات آهن حل می شود. ذرات آهن از تجزیه ی فروزن تشکیل می شوند. ذرات آهن ممکن است به سهولت از کربن اشباع یا فوق اشباع شوند. و بعد از آن، رسوب دهی کربن از سطح ذرات آهن منجر به تشکیل ساختارهای کربنی تیوبی مانند با پیوند SP^2 می شود. تشکیل نانوتیوب ها نیز ممکن است زیرا ذرات آهن به صورت شیمیایی پایدار است و در طی فرایند رشد، اندازه ی مناسبی دارند. در همین زمان، در سطح سیلیکون، یک واکنش شیمیایی میان سیلیکون، آهن و اکسیژن باقیمانده ایجاد می شود و موجب تشکیل ترکیباتی می شود که از لحاظ شیمیایی برای رشد نانوتیوب ها، غیر فعال هستند.

استفاده از زیرلایه های مختلف

همانگونه که در بخش قبل نشان داده شد، در روش تحویل کاتالیستی، تمپلیت نقش حیاتی در رشد نانوتیوب ها ایفا می کند. علاوه بر این، همانگونه که قبلا گفته شد، یک گستره ی وسیعی از زیرلایه ها برای اهداف مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. برای بدست آوردن ویژگی های رشد مختلف، ما از زیرلایه های MgO با جهت گیری های کریستالی مختلف، صفحات SiC، تمپلیت های سه بعدی و صفحات طلا با ضخامت های مختلف، استفاده می کنیم. همانگونه که از طبیعت انتخابی بودن سیلیکون و سیلیس، می توان پیش بینی نمود، سرامیک های پایدار گزینه های مناسبی برای استفاده در ساخت تمپلیت هستند. این مواد واکنش اندکی با کاتالیست می دهند. به عنوان یک روش ثانویه، ما فهمیدیم که تفاوت های میان فعالیت رشد بر روی جهات کریستالی مختلف MgO، مشکل است. مثلا صفحات (111) فعال تر از صفحات (100) هستند. مهم ترین تفاوت میان دو صفحه ی کریستالی از این نقطه نظر این است که (100) یک صفحه ی طبیعی است در حالی که (111) از لحاظ اکسیژن غنی است.

ساختارهای شگفت آور تولید شده از رشد چند لایه

با استفاده از روش های توصیف شده در بالا، تولید ساختارهای مورد نظر، ممکن می شود. برای مثال، می توان با این روش، مواد چند لایه تولید کرد. در مطالعه ی ما، ما قادریم تا لایه های جدید از جنگل های نانوتیوبی تولید کنیم. به هر حال، این شگفت آور است که لایه ی جدید بر بالای لایه ی قبلی رشد داده نمی شود اما این لایه به عنوان یک لایه ی جدید در زیر آن، تولید می شود. در بخش پایینی شکل 4، ما تصاویر SEM از ستون هایی را نشان دادیم که در آنها فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار به تعداد 8 بار انجام می شود و بنابراین، 8 لایه از جنگل های نانوتیوبی قابل تمیز دادن است. لایه ی بالایی ابتدا رشد داده شده است و لایه های دیگر در زیر آن رشد داده می شوند. این مکانیزم رشد شگفت آور در هر فرایند رشد از فاز بخار بر روی زیرلایه، قابل پیش بینی نمی باشد. چیزی که ما در طی رشد مشاهده می کنیم، این است که هر لایه شامل آرایه های منظمی از نانوتیوب های میکرونی است و رشد از صفحات زیرلایه ای اولیه، آغاز می شود. این رشد حتی بعد از پوشیده شدن کامل زیرلایه با لایه های پیوسته و چند گانه از نانوتیوب ها، ادامه می یابد. برای این که این مسئله رخ دهد، این ضروری است که هیدروکربن و پیش ماده ی فلزی کاتالیستی از طریق فیلم نانوتیوبی چند میکرونی، نفوذ کند و رشد از بالای زیرلایه، انجام شود. این مسئله همچنین بدین معناست که هر زمان، یک لایه ی جدید از عمق جوانه زنی و رشد کند و لایه های دیگر از زیرلایه به سمت بالا حرکت داده می شوند و به سمت لایه های نانوتیوبی که اخیرا ایجاد شده اند، حرکت می کنند. وقتی یک لایه ی جدید به سمت لایه ای قدیمی تر حرکت می کند، یک واکنش که عمدتا بر اساس نیروهای واندروالس می باشد، در میان لایه های مجاور ایجاد می شود و بدین صورت تمام ساختار پا بر جا می ماند. در همین زمان، این لایه ها ممکن است به آسانی از همدیگر جدا شوند و این نشاندهنده ی این است که نانوتیوب های منفرد به طور مداوم از یک لایه به لایه ی بعدی، رشد نمی کنند. اخیرا چندین گزارش در مورد اثبات این نظریه ارائه شده است.

رشد نانوتیوب های چند دیواره نسبت به نانوتیوب های تک دیواره

هدف از کنترل رشد نانوتیوب ها، قرار دادن نانوتیوب ها بر روی جهات ترجیحی با جهت گیری خاص، با حفظ خواص ساختاری، ابعادی و مولکولی نانوتیوب ها و نوع نانوتیوب (تک دیواره یا چند دیواره) می باشد. برخی از این ویژگی ها هم اکنون نیز قابل کنترل می باشند مثلا دانسیته، جهت گیری و اندازه ی دسته های نانوتیوب. پارامترهای کنترلی اصلی عبارتند از دما و کاتالیزور. برای تولید نانوتیوب های تک دیواره، عموما نیاز به دماهای بالاتر (در حدود 1000 تا ) و استفاده از منابع کربنی است که در آنها نسبت کربن به هیدروژن کم تر باشد. نیاز است تا ذرات کاتالیست در اندازه ی نانومتری باشند تا بدین صورت بتوان نانوتیوب های تک دیواره ای با گستره ی قطر بین 0.7 تا 2 نانومتر تولید کرد. برای حفظ اندازه ی کاتالیست در دمای بالا، نیاز است تا لایه های بسیار نازکی از فلز بر روی زیرلایه ایجاد شود یا از فاز کاتالیستی استفاده شود که در دخل ساختارهای خاصی مانند کوپلیمرها یا کامپوزیت های پلیمری، جای داده شده اند. این کار از آگلومره شدن نانوذرات جلوگیری می کند. با اصلاح پارامترهای غوطه وری در روش کاتالیستی، می توان نانوتیوب های تک دیواره تولید کرد. با افزایش دمای واکنش تا ، یک مخلوط از نانوتیوب های تک دیواره و چند دیواره تولید می شود. به عبارت دیگر، محصولات این واکنش متنوع هستند. در سال های اخیر، این سطح از کنترل که محققین برای تولید نانوتیوب های با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، بدست آورده اند، شگفت آور است. با استفاده از این روش، امکان رشد انواع مختلفی از ساختارهای نانوتیوبی با ابعاد مختلف وجود دارد.

نانوتیوب ها و ساختارهای نانوتیوبی تولید شده از طریق رشد تحویلی کاتالیست در فاز بخار

رشد ساختارها بر روی زیرلایه های صفحه ای

برای استفاده از ویژگی رشد انتخابی در روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، که در آنها از غوطه وری کاتالیستی استفاده می شود، ویفرهای سیلیکونی که بر روی آنها لایه ای نازک از اکسید قرار گرفته اند، با استفاده از روش لیتوگرافی نوری، تولید می شود و الگوهای سیلیکون و سیلیس ایجاد شده، برای رسوب دهی ساختارهای نانوتیوبی کربنی چند دیواره، استفاده می شود. شکل 5 مثال هایی از نانوتیوب های موازی با هم را نشان می دهد که به طور انتخابی بر روی محل های ترجیحی قرار داده شده اند. تصاویر SEM نشان می دهد که نانوتیوب های موازی با هم، به سهولت بر روی جزیره های سیلیسی و در جهت عمود بر سطح، رشد کرده اند. هیچ رشد نانوتیوبی بر روی سطوح دست نخورده ی سیلیس یا لایه ی اکسیدی محلی، مشاهده نشده است. این نانوتیوب ها به خوبی جهت گیری کرده اند و با دانسیته ای یکنواخت قرار گرفته اند. ارتفاع این بلوک ها با دقت بالا می تواند به نحوی کنترل گردد که بین 10 تا 100 میکرون باشد. این کنترل با تغییر زمان رسوب دهی انجام می شود. تنها ابعاد صفحه ی تمپلیت است که تعداد نانوتیوب را در هر بلوک تعیین می کند. جدایش بین بلوک ها با استفاه از فرایند لیتوگرافی انجام می شود. چسبندگی نانوتیوب به زیرلایه درست بعد از رشد، به سهولت انجام می شود. به هر حال، با اعمال عملیات حرارتی بر روی آنها، این نمونه ها در طی استفاده نیز سالم باقی می مانند. ویژگی های رشد که در شکل 5 نشان داده شده اند، بیان کننده ی کنترل بسیار مناسب بر روی قرارگیری نانوتیوب ها در مکان های مناسب و حفظ الگوهای تمپلیت و انتقال آنها به نانوتیوب ها می باشد. این روش می تواند برای ساخت لایه های نانوتیوبی متخلخل با اندازه ی تخلخل های قابل کنترل و با شکل معین مورد استفاده قرار گیرد. ساختارهای متخلخل با استفاده از یک تمپلیت با یک لایه ی سیلیسی تولید می شوند که این لایه دارای حفراتی با شکل های مختلف است. این حفرات با استفاده از فرایند اچ کردن، تولید شده است.

ساختارهای نانوتیوبی سه بعدی

در مورد بالا، ما به طور مستقیم ساختارهای نانوتیوبی را نشان داده ایم که عمود بر سطح زیرلایه هستند. در این ساختارها ضخامت الگوهای سیلیسی اندک در نظر گرفته شده است و عموما این ضخامت کمتر از 100 نانومتر است. با استفاده از جزیره های سیلیسی با ضخامت بیشتر (مثلا بین 5 تا 8 میکرون)، ما قادر هستیم تا بلوک هایی نانوتیوبی ایجاد کنیم که در جهات چندگانه، جهت گیری کرده اند. این جهات شامل جهاتی می شود که در داخل سطح زیرلایه ی ماکروسکوپیک قرار دارند. ما می توانیم همچنین تشخیص بدهیم که رشد نانوتیوب ها در جهات متعامد و با استفاده از تمپلیت ها، شامل چاله های حاصل از اچ شوندگی است که این چاله ها چندین برج یا خط سیلیسی را از هم جدا کرده است. در شکل 1، آرایه هایی از نانوتیوب هم جهت به صورت عمودی و افقی نشان داده شده اند. در فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، این ساختارهای نانوتیوبی در یک مرحله رشد می کنند. در اینجا، ما همچنین قادریم تا ساختارهایی ایجاد کنیم که پیچیده تر هستند. این ساختارها که بر پایه ی سیلیس ساخته می شوند، با استفاده از تکنیک های مختلف، ماشین کاری می شوند. این تکنیک های ماشین کاری، تکنیک های ساخت میکروالکترومکانیکال (MEMs)، شناخته می شوند. برای مثال ساختارهای نانوتیوبی سه بعدی را ببینید که به آنها گل آفتابگردان نانوتیوبی می گویند. برای تولید این ساختارها، نانوتیوب ها با انحراف کم بر روی بخش های سیلیسی مخروطی شکل، رشد داده می شوند. ساختارهای معکوس که بر روی لایه های اکسیدی ناقص رشد داده می شوند، می توانند برای استفاده در تولید غشاء های نازک مورد استفادهل در کاربردهای الکترومکانیکی، مناسب باشند.
یک ساختار مهم دیگر که از رشد نانوتیوب ها بر روی سیلیس در جهت نرمال های صفحه، تولید می شوند، نیز در شکل 1 (سمت پایین) نشان داده شده است. در این ساختار، دو لایه از نانوتیوب در جهات مخالف رشد داده شده است. در این روش، لایه ی شفاف دیسکی مانند، نشاندهنده ی غشاء سیلیسی است و ناحیه ی تیره تر نشاندهنده ی پایه های سیلیکونی است که از آن بخش حمایت می کند. با افزایش ضخامت لایه ی سیلیسی معلق و رسیدن این ضخامت به چند میکرومتر، می توان ساختارهای چندلایه و ساختارهای نانوتیوبی هم جهت، ایجاد کرد.

رشد جهت دار ساختارهای پیچیده

کنترل بیشتر برروی اندازه و جهت گیری ساختارهای نانوتیوب کربنی می تواند با ترکیب کردن روش های اشاره شده در بالا با روش های فلزی کردن متدوال، انجام شود. برای ایجاد هماهنگی در قرارگیری نانوتیوب ها در جهات انتخاب شده، نیاز است تا سطوح سیلیسی سه بعدی ایجاد کرد. برخی از بخش های این سطوح با استفاده از لایه های طلا، پوشش دهی می شود. با این کار رشد نانوتیوب تنها در جهات پیش تعیین شده، انجام می شود (شکل 1). تصاویر SEM در شکل 2 سه ساختار مختلف نشان داده شده است که یکی کلا با نانوتیوب پوشیده شده است، یک نانوتیوب دو بلوک مجاور را به هم متصل کرده است و یک ساختار نانوتیوبی کوچکتر وجود دارد که این نانوتیوب ها تنها به طور جزئی شکاف را پوشانده است. پیکربندی های مختلف برای کاربردهای مختلف، مفید است.

ساختارهای سه بعدی تولید شده از نانوتیوب های تک دیواره

با روش های ساده ی رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، شبکه هایی دو بعدی از نانوتیوب های تک دیواره به آسانی تولید می شود. بررسی های انجام شده با استفاده از SEM نشان داده است که شبکه های نانوتیوبی تک دیواره با دانسیته ی بالا، ممکن است ساختارهایی با اشکال مختلف بر روی سیلیس با الگوهای نانویی، ایجاد کنند. با استفاده از کاتالیست های آهن رسوب داده شده بر سطح بالایی و کناری دیواره های ستون، ما مشاهده کرده ایم که بازده نانوتیوب های تک دیواره ی معلق شده می تواند بسیار بالا باشد (شکل 3 را ببینید). مشاهدات نزدیک تر بر روی شبکه های نانوتیوبی نشان دهنده ی این است که بسیاری از تیوب ها بر روی بخش پایینی زیرلایه و دیواره های کناری ساختارهای الگودار، رشد می کنند. جهات رشد نانوتیوب ها بر اساس محل پایه ها کنترل می شود و موجب می شود تا ساختارهای با سازماندهی بالا از نانوتیوب های تک دیواره بر روی هندسه های پیش تعریف شده از این الگوها، ایجاد شود. در مورد الگوهای خطی، نانوتیوب ها به طور ترجیحی به طور عمود بر توپولوژی سطح زیرلایه، رشد می کنند (بدون توجه به جهت جریان گاز). بررسی های TEM از نانوتیوب های موجود بر روی پایه ها، نشان دهنده ی این است که دسته های کوچک از این نانوتیوب ها شامل چند نانوتیوب تک دیواره هستند که قطر آنها بین 1 تا 1.3 نانومتر است.
سایر فلزات انتقالی مانند کبالت ممکن است برای ایجاد شبکه های نانوتیوبی با دانسیته ی بالا، مورد استفاده قرار گیرد. در مقایسه با کاتالیست های آهنی، فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار که از کبالت برای رشد نانوتیوب ها استفاده می کنند، در دماهای پایین تری کار رسوب دهی را انجام می دهند (حدود ) و همان دانسیته ی قبلی بدست می آید. در اینجا نیز زیرلایه دارای اثر قابل توجهی بر روی رشد نانوتیوب هاست. در اینجا، شبکه های نانوتیوبی تک دیواره تحت پارامترهای CVD یکسانی بر روی پایه ی سیلیسی تولید می شوند، دارای دانسیته ی بالاتری نسبت به آنهایی دارند که بر روی پایه ی سیلیکونی، رشد داده شده اند. یک نتیجه ی جالب توجه از مطالعه ی این ساختارهای نانوتیوبی تک دیواره، رفتار آنها تحت تابش باریکه ی یونی است. شکل 3 نشان می دهد که چگونه اسکن متوالی باریکه ی یونی، اتم های کربن را از نانوتیوب ها می زداید و موجب می شود تا ابعاد آنها کاهش یابد. با اسکن متوالی، برخی از نانوتیوب ها می توانند به طور انتخابی از نمونه حذف گردند. این کار یکی از کارهایی است که برای آماده سازی ساختارهای نانوتیوبی برای استفاده در کاربردهای خاص، ضروری است.

استفاده از ساختارهای نانوتیوبی بزرگ

فیلترهای نانوتیوبی ماکروسکوپیک

ساختارهای ماکروسکوپیک تشکیل شده از نانوتیوب های کربنی هم جهت، می توانند سنتز شوند. کار تولید با استفاده از کنترل مناسب بر روی فرایند تولید، انجام می شود. این کار نه تنها بر روی زیرلایه های مسطح و دارای الگو قابل انجام است، بلکه همچنین این کار بر روی زیرلایه های خمیده نیز قابل انجام می باشد. برخی از محققین ساخت سیلندرهای توخالی ماکروسکوپیکی را گزارش داده اند که از قرار گیری پیوسته ی نانوتیوب ها تشکیل شده اند. این ساختارها برای استفاده به عنوان فیلتر مورد استفاده قرار می گیرند. این نوع از فیلترها قابلیت استفاده در التراسونیک و اتوکلاو را دارای می باشند. در شکل 4 و 5 مثال هایی از این فیلترها آورده شده است. پایداری گرمایی و مکانیکی خارق العاده ی نانوتیوب ها و مساحت سطح بالای این مواد، سهولت و اقتصادی بودن هزینه های تولید غشاء های نانوتیوبی، این مواد توانایی رقابت با انواع غشاء های سرامیکی، پلیمری و ... را دارا می باشد.
یک مزیت اصلی فیلترهای نانوتیوبی نسبت به فیلترهای متداول، پایداری بالای آنها و تمیز شدن آنها بعد از هر بار اعمال فرایند فیلتراسیون می باشد. یک فرایند ساده برای تمیزکاری این فیلترها، استفاده از التراسونیک یا اتوکلاو است. با استفاده از این وسایل، تمیزکاری نیز با پاکسازی این فیلترها انجام می شود و فیلترهای پاک سازی شده، سپس دوباره مورد استفاده قرار می گیرند. در فیلترهای آب تشکیل شده از غشاء های سلولز نیتراتی و استاتی، به دلیل جذب قوی باکتری ها بر روی سطح غشاء، استفاده مجدد از آنها امکان پذیر نمی باشد. همچنین فیلترهایی که برای فیلتراسیون ویروس ها مورد استفاده قرار می گیرد، قابلیت استفاده ی مجدد ندارد. علت این موضوع، پایداری گرمایی بالای نانوتیوب هاست در واقع، فیلترهای نانوتیوبی را می توان در دمایی در حدود 400 درجه ی سانتیگراد مورد استفاده قرار گیرد. این دما چندین برابر دمای عملیاتی فیلترهای غشائی پلیمری متداول است. فیلترهای نانوتیوبی به دلیل پایداری مکانیکی و گرمایی بالا، ممکن است از لحاظ تجاری با فیلترهای سرامیکی قابل رقابت باشند. علاوه بر این، این فیلترها ممکن است عامل دار شوند و برای اهداف خاص مورد استفاده قرار گیرند.

سنسورهای تولید شده با لایه های نانوتیوبی

ولتاژ پایین مورد نیاز برای انتشار الکترون از سری های نانوتیوبی، این مسئله را ممکن می کند که از این سری ها در سنسورهای یونیزه، استفاده شود. مزیت های نانوتیوب های کربنی نسبت به سنسورهای معمولی عبارتند از اندازه ی کوچکتر، عملکرد ساده و تحت تأثیر قرار نگرفتن بوسیله ی شرایط محلی مانند دما و رطوبت می باشد. بخش های مختلف این سیستم مشابه سیستم انتشار میدانی است با این تفاوت که نانوتیوب ها به عنوان آند و یک صفحه ی آلومینیومی به عنوان کاتد عمل می کند. این کاتد و آند بوسیله ی یک بخش خلأ از هم جدا می شوند و فاصله ی آنها در حدود 150 میکرون می باشد. گازی که باید تحت آنالیز قرار گیرد، به داخل محفظه هدایت می شود. ولتاژ و جریان بوسیله ی یک آمپرمتر و ولتمتر، اندازه گیری می شود. با این کار وقتی ولتاژ افزایش یابد، این بدین معناست که گاز اطراف سری نانوتیوبی، یونیزه شده است. این ابر یونی سپس از میدان انرژی دریافت می کند و جفت های الکترون- حفره ی بیشتری تولید می شود. بعدا جفت های الکترون- حفره ی بیشتری تشکیل می شود تا اینکه، این فرایند سرانجام منجر به جدایی میان الکترودها شود. ولتاژی که در آن شکست یا جدایی رخ می دهد، برای گازهای مختلف متفاوت است و به ولتاژ شکست معروف است. این ولتاژ مشخصه ی هر گاز است. اندازه گیری جریان نیز مهم می باشد زیرا این کمیت به غلظت گاز بستگی دارد. اندازه گیری مناسب از ولتاژ شکست می تواند حضور گاز در محفظه را تشخیص دهد. برخی مثال ها از گازهای تشخیص داده شده، عبارتند از هلیوم، آمونیاک، آرگون و اکسیژن. این گازها در غلظت های ثابت قابل تشخیص هستند (شکل 6). مقادیر ولتاژ شکست برای گازهای منفرد در غلظت های مختلف گازها، ثابت است.

کامپوزیت های نانوتیوبی برای استفاده در کاهنده های ارتعاش (Damping)

نانوکامپوزیت های بر پایه ی نانوتیوب به خاطر استحکام ویژه ی آنها، در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. اخیرا، علاقه ی زیادی برای توسعه ی کامپوزیت های نانوتیوبی- پلیمری به منظور استفاده در کاربردهایی که نیازمند ترکیب استثنایی از خواص وجود دارد، بوجود آمده است. نانوکامپوزیت های نانوتیوب- پلیمری مواد مناسبی در استفاده در کاربردهایی مانند سوئیچ های نوری بسیار سریع و لایه های بیوکاتالیستی، هستند. پتانسیل استفاده از این نانوکامپوزیت ها به دلیل فایق آمدن بر یکی از محدودیت های مواد متداول مورد استفاده در این کاربردها، است. از مشکلات موجود در زمینه ی تولید این کامپوزیت ها، کنترل جهت گیری و نحوه ی پراکنده شدن نانوتیوب ها در داخل زمینه ی پلیمری است. از سایر مشکلات این کامپوزیت ها ایجاد سطح مشترک مناسب میان نانوتیوب و زمینه ی پلیمری است. یک راه برای کنترل همزمان توازی نانوتیوب ها و نحوه ی پراکنده شدن نانوتیوب ها در زمینه ی پلیمری، مونومرهای در آرایه های پیش منظم شده از نانوتیوب ها فرستاده می شود. بعد از این کار، فرایند پلیمریزاسیون به صورت در جا انجام می شود. لایه های کامپوزیتی تولید شده، می توانند توزیع خوبی داشته باشند. این نانوتیوب ها دارای قرارگیری مناسبی در زمینه ی پلیمری هستند و موجب تقویت این پلیمرها می شوند. یک کاربرد مهم برای کامپوزیت های نانوتیوبی به دلیل خواص مکانیکی بی همتای در سطح مشترک پلیمر- نانوتیوب، بوجود آمده است. این رفتار، رفتار کاهندگی ارتعاش (Damping) نامیده می شود. ما فهمیده ایم که با استفاده از لایه های اپوکسی و نانوتیوب در حالت کامپوزیتی، می توان خاصیت سفتی لایه ها را به همراه خاصیت کاهندگی ارتعاش، همراه کنیم (شکل 7). تجربیات بدست آمده بر روی این نانوکامپوزیت ها نشان داده است که میزان کاهندگی ارتعاش 200 % افزایش یافته و همچنین سفتی پیوند نیز 30 % افزایش می یابد. بررسی های انجام شده با SEM که بر روی لایه های نانوتیوبی انجام شده، آشکار ساخته است که یک شبکه ی سحرآمیز از نانوتیوب های با دانسیته بالا و به هم متصل، در این ساختارها وجود دارد. این اتصالات داخلی نانوتیوب ها موجب می شود تا انرژی وارد شده به داخل لایه ی نانوتیوبی، توزیع گردد. اتصالات عرضی میان نانوتیوب ها همچنین موجب بهبود انتقال بار در داخل شبکه می شود و در نتیجه موجب افزایش خواص سفتی نمونه ها می شود. پرکننده های نانوتیوبی دارای خاصیت تداخل اندکی است اما واکنش های لغزشی سطح مشترک و داخل لوله ای کامپوزیت ها می تواند برای افزایش جذب انرژی شود بدون آنکه سایر خواص مکانیکی افت کند. اندازه گیری ها آشکار ساخته است که رفتار ویسکوالاستیک قابل توجه در این مواد تا 1400 % افزایش می یابد. بر اساس تنش های برشی بین سطحی برای این سیستم ها، این مسئله فهمیده شده است که جذب انرژی به توزیع انرژی در طی لغزش سطح مشترک، بستگی دارد.
مزیت های چندگانه ای برای استفاده از لایه های اپوکسی- نانوتیوب وجود دارد زیرا یک پلیمر ماده ی است که دارای کاهندگی کامل انرژی است. یکی از این مزیت ها این است که پلیمرهای ویسکوالاستیک سنتی در هنگام استفااده در دماهای بالاتر، تخریب می شوند. گستره ی دمایی برای لایه های جاذب تجاری در گستره ی دمای 0 تا 100 درجه ی سانتیگراد است. نانوتیوب های کربنی می توانند بدون تخریب قابل توجه در دماهای بالا مورد استفاده قرار گیرند و در نتیجه برای کاربردهای دما بالا، فیلم های نانوتیوبی دارای کارایی بالا و قابلیت اطمینان بالایی هستند. دومین مزیت، این است که سفتی پلیمرهای سنتی مورد استفاده، کمتر از کامپوزیت های نانوتیوبی است. همچنین یکپارچگی لایه های جاذب ویسکوالاستیک در داخل سیستم های کامپوزیتی دارای چالش های فنی قابل توجهی است. وقتی مواد جاذب انرژی در این کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرند، این ماده دماهای سیکلی دریافت می کند. مواد جاذب انرژی که به طور تجاری موجود می باشند، دارای دماهای کاربری هستند که کمتر از دماهای سیکلی عمل آوری آنهاست. نانوتیوب ها در دماهایی بالاتر از دمای عمل آوری، پایدار هستند و ساختار و خواص آنها تخریب نمی شود علت این مسئله نفوذ رزین می باشد. به همین دلیل است که لایه های نانوتیوب کربنی می توانند به صورت بالقوه در داخل ساختار کامپوزیت های و سیستم های غیر هموژن دوام آورند.

پوسته های پلیمری تقویت شده با نانوتیوب ها

همانگونه که قبلا گفته شد، کامپوزیت های نانوتیوبی- پلیمری، به طور گسترده برای استفاده در کاربردهای مختلفی مورد بررسی قرار گرفته اند. در این کاربردها، نیاز به ترکیبی از خواص الکتریکی، نوری و مکانیکی نانوتیوب ها و پلیمرها، وجود دارد. یکی دیگر از بخش هایی که از کامپوزیت های نانوتیوبی- پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند، استفاده از این مواد در الکترونیک است. ما روش جدیدی توسعه دادیم که بوسیله ی آن وسایل الکترونیکی انعطاف پذیر از نانوتیوب ساخته می شوند. در این روش، از ساختارهای نانوتیوبی چند دیواره در زمینه ای پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) استفاده می شود. این ساختارها می تواند به عنوان وسایل سنجش انبساطی، سنسورهای گازی و لمسی و همچنین وسایل انتشار میدانی مورد استفاده قرار گیرند. به طور خاص این ساختارها به عنوان انتشار دهنده ی میدانی انعطاف پذیر استفاده می شوند زیرا این ساختارها سیگنال های الکتریکی در داخل خود، ایجاد می کنند و همچنین توانایی تحمل محیط های سخت را دارند.
شکل 8 شماتیکی برای طراحی و ساخت ساختارهای نانوتیوبی هم جهت در داخل زمینه ی PDMS را نشان می دهد. ابتدا، الگوگذاری بر روی زیرلایه های سیلیسی و سیلیکونی با استفاده از یک فرایند لیتوگرافی نوری انجام می شود، سپس نانوتیوب های هم جهت شده به طور انتخابی بر روی ناحیه ی الگودار، رشد داده می شود و سپس، یک محلول پلیمری PDMS به داخل این ساختارها وارد می شود. در نهایت PDMS تحت عملیات آماده سازی قرار می گیرد و سپس، لایه های نانوتیوبی- PDMS با استحکام مناسب، تشکیل می شود. این لایه ی تشکیل شده به طور دقیق از زیرلایه ی سیلیسی جدا می شوند. تصویر SEM از ساختارهای نانوتیوبی کربنی چند دیواره، بعد از ورود PDMS بداخل آنها، در شکل نشان داده شده است. ساختارهای نانوتوبی- PDMS نسبت به تغییر شکل های فیزیکی بزرگ، مقاوم هستند. یک زمینه ی نانوتیوب- PDMS الگودار با شکل سیلندری که قطری برابر با 500 میکرون هستند، برای بررسی خواص انتشار میدانی، مورد استفاده قرار گرفته اند. بررسی انجام شده با SEM نشان داده است که نانوتیوب های کربنی چند دیواره ای که به طور عمودی هم جهت شده اند، به طور کامل بوسیله ی PDMS احاطه شده اند. انتهای نانوتیوب ها در پشت نمونه با تیتانیوم یا طلا پوشش دهی می شود و بر روی کاتدهای با پوشش طلا یا پلاتین ثابت می شود. این ساختارها دارای انتشار میدانی استثنایی در یک خلأ متوسط ( ) می باشند. شکل 8 (پایین) نشاندهنده ی جریان انتشار به عنوان تابعی از ولتاژ برای دو نمونه ی مختلف می باشد. جریان انتشار یافته از مکانیزم فولر- نوردهیم تبعیت می کند. در این مکانیزم، دانسیته ی جریان تقریبا با مربع میدان مؤثر در ارتباط است. نانوتیوب های کربنی که دارای نسبت طول به قطر بالایی هستند و همچنین انحنای بالایی در بخش های بالایی هستند، دارای میدان مؤثر بالایی هستند. فاکتور افزایش میدان ( ) ممکن است برابر با مقادیری چند هزار باشد.

قلم های نانوتیوبی

ما به طور موفقیت آمیز قلم های چند عملکردی تولید کردیم که شامل شاخک های نانوتیوبی کربنی هستند که بر روی الیاف خاصی قرار داده شده اند (شکل 9). ما همچنین نشان داده ایم که چندین وظیفه ی استثنایی برای این قلم ها وجود دارد. با استفاده از این قلم ها می توان نانوذرات را از فضاهای باریک، تمیز کنیم، بر روی حفرات پوشش ایجاد کنیم و جذب شیمیایی انتخابی ایجاد کنیم. این نانوتیوب ها بر روی نواحی انتخابی الیاف سیلیکون کاربید میکرویی رشد داده شده اند. انتهای این نانوتیوب ها با استفاده از پوشش های نازک طلا، پوشش کاری می شوند. قرارگیری مختلف این الیاف موجب ایجاد پیکربندی های مختلف در این سری ها می شود. برای مثال، قرارگیری عمودی الیاف سیلیکون کاربید معمولا ایجاد چنگال های نانوتیوبی سه تایی می شود. تشکیل این مورفولوژی های چنگالی به دلیل رشد خود به خودی آرایه های نانوتیوبی با دانسیته ی بالا می باشد و به دلیل اینکه آنها از سطح استوانه ای رشد داده شده اند، دارای سطح مقطع مدور است. ساختارهای چنگک دار با نصب کردن این الیاف بر روی یک سطح صاف در طی فرایند رسوب دهی فیزیکی از فاز بخار، تولید می شوند. با این کار از رشد نانوتیوب ها در چندین جهت، جلوگیری شود. این قلم ها برای خارج کردن گرد و غبار از آرایه های میکروکانالی مورد استفاده قرار می گیرد. این کار معمولا یک وظیفه ی مهم تلقی می شود. انعطاف پذیری این قلم ها این مسئله را تأیید می کند که این ساختارهای نانوتیوبی سطح را خش دار نمی کنند، در حالی که تخلخل موجود بر روی قلم ها که در نزدیکی انتهای ساختار وجود دارد، امکان از بین رفتن نانوذره های موجود در تخلخل ها، بوجود می آید. سایر کاربردهای دیگر مانند تمیزکاری انتخابی، نقاشی و ایجاد میکرو تخلخل ها نیز از جمله کاربردهای این قلم هاست.

فنرهای نانوتیوبی

با در نظر گرفتن ساختارهای غشاء مانند متخلخل تولید شده با نانوتیوب های کربنی هم جهت، این غشاء ها می تواند به عنوان ساختارهای شبه سلولی مورد استفاده قرار گیرد. ما نشان دادیم که یک لایه ی نانوتیوبی کربن، هموژن بودن خود را از دست می دهد و وقتی حلال های مختلف بر روی آن ریخته می شود، ساختارهای سلول مانندی تشکیل می دهند. بدون تشکیل این ساختارهای سلول مانند، لایه های خود ایستا، تحت فشار، دارای رفتار شبه فومی هستند. لایه ی نانوتیوبی مانند یک فنر جمع شونده عمل می کند و نانوتیوب های موجود در لایه، بخش های زیگ زاگ مانندی تشکیل می دهند که بعد از رها شدن نیروی اعمالی بر روی آنها، به حالت اولیه باز می گردد. در مقایسه با سایر فوم های انعطاف پذیر و با دانسیته ی پایین، لایه های نانوتیوبی دارای استحکام فشاری، سرعت بازگشت و فاکتور افت بالاتری هستند.
ما سیکل های فشاری را برای این لایه های فنر مانند برای هزاران بار تکرار کردیم. لایه های تولید شده از نانوتیوب های کربنی چند دیواره تا میزان 15 % از ضخامت خود، فشرده می شود و بعد از برداشتن نیرو، به اندازه ی اولیه باز می گردد. تخلخل لایه های نانوتیوبی بسیار بالاست و نانوتیوب های کربنی تنها 20 % از حجم فیلم را به خود اختصاص می دهد. در شکل 10 شماتیکی ارائه شده که سیکل های بارگذاری و باربرداری را با تصاویر SEM توصیف می کند. نانوتیوب ها شکسته و بریده نمی شوند. نانوتیوب ها همچنین تحت فشار، فروپاشیده نمی شود. در حالت غیر دینامیک، ما متوجه شده ایم که سرعت بازگشت این نوع فنر نسبت به فنرها و اسفنج های دیگر بیشتر است. این نوع از ساختارهای نانوتیوبی ممکن است دارای کاربردهای زیادی داشته باشد. از این نوع ساختارها می تواند در سیستم های الکترومکانیکی، اتصالات داخلی، فعال کننده های مکانیکی و ... استفاده کرد.

نتیجه گیری

در این مقاله، ما خلاصه ی کوتاهی در مورد کارهای انجام شده در زمینه ی رشد ساختارهای نانوتیوبی با استفاده از روش های CVD، ارائه کرده ایم. پیشرفت های انجام شده در این زمینه، قابل توجه است و امروزه ما می توانیم ساختارهای دو و سه بعدی را با استفاده از نانوتیوب های تک دیواره و چند دیواره، تولید کنیم. ساختارهای نانوتیوبی را می توان به عنوان بلوک های ساختاری در بسیاری از کاربردها استفاده کرد. مثلا از این ساختارها می توان در تولید وسایل الکترونیکی، MEMS، صنایع شیمیایی و مواد ساختاری، استفاده کرد. چالشی که در این زمینه وجود دارد، کنترل ساختارهای مولکولی از نانوتیوب می باشد. پیشرفت های سریع در این زمینه بوجود آمده است و این به نظر می رسد که به زودی از این ساختارها در نمونه های آزمایشی وسایل الکترونیکی استفاده شود.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.

سانتریفیوژ همان کانال سوئز است! سانتریفیوژ یک قطعه از یک محصول تکنولوژیکی است و کانال سوئز یک منطقه‌ی جغرافیایی. شاید این سؤال پیش بیاید که مگر شباهت این دو در چه چیزی است که اجازه‌ی این تشبیه را به خود می‌دهیم؟

آن چیزی که این ‌دو را به هم متصل می‌کند «ژئوپلیتیک» است. جغرافیا، در دوره‌ای از تاریخ معاصر که کشورها برای قوی‌ بودن، هدف خود را تصرف سرزمین‌های مهم قرار می‌دادند، نقش ویژه‌ای در عالم سیاست پیدا می‌کند. در همین دوره است که جنگ‌های مهمی برای تصرف نقاط کلیدی آغاز می‌‌گردد و خون‌های زیادی ریخته می‌شود. به آن نقاط کلیدی، نقاط ژئوپلیتیکی گویند. در این زمان، چون نیروی دریایی و تجارت دریایی نقش محوری را برای سلطه داشت، تصرف «عناصر قدرت دریایی اجازه می‌دهد که آن کشور با صدایی سخن گوید که دیگران به آن توجه کنند.»[1]

در دوره‌ی استعمار سرزمینی، داشتن این نقاط استراتژیک، یعنی مواضع نزدیک به آب‌هایی که کشتی‌ها در آن به هم نزدیک می‌شدند یا از طریق آن انتقال کالاهای تجاری، نیروهای رزمی و یا پشتیبانی آن صورت می‌گرفت، سبب قدرت‌ یافتن آن کشور می‌شد و به همین دلیل بود که بیسمارک، مؤسس آلمان قدرتمند، گفته بود که ما بدون مستعمره نمی‌توانیم یک قدرت دریایی بزرگ باشیم. دماغه‌ی امیدنیک در جنوب آفریقا، تنگه‌ی هرمز در خلیج فارس، کانال سوئز در قاره‌ی آفریقا و... نقاطی هستند که به نقاط کلیدی معروف بودند.
 
مصر منهای کانال سوئز
تا اواسط قرن نوزدهم، کشتی‌های تجاری این امکان را نداشتند که از راه دریا و از بین دو قاره‌ی اروپا و آفریقا، خود را به آسیا برسانند، بلکه باید یا به مصر می‌رفتند و از آنجا از راه زمینی خود را به آن ‌سوی خشکی می‌رساندند و دوباره بارها را بر کشتی سوار می‌کردند و یا از راه جنوب قاره‌ی آفریقا و با دور زدن این قاره و عبور از دماغه‌ی امیدنیک، خود را به آسیا مخصوصاً هندوستان می‌رساندند.

مصر در این ایام، در اختیار دولت عثمانی است، اما نیروهای فرانسوی مصر را تصرف کرده‌اند و این سرزمین زیر چکمه‌ی نیروهای نظامی ناپلئون است. مردم مصر قیام می‌کنند، محمدعلی پاشا که ارتشی را مجهز کرده است، با کمک مردم، فرانسویان را از مصر بیرون می‌کند و اجازه نمی‌دهد انگلیسی‌ها به‌جای آن‌ها بیایند. او که بنیان‌گذار مصر نوین است، سلسله‌ی خدیوان را در مصر تأسیس می‌کند، اما زمان بدین‌صورت نمی‌گذرد. خدیویان بعد از محمدعلی پاشا، مانند او توانمند نبودند و با وام‌هایی که از خارجی‌ها گرفتند، مصر را به کشوری بدهکار تبدیل کردند. کار به آنجا رسید که مصر برای رفع بدهی‌اش مجبور شد کانال سوئز را که تازه افتتاح شده و به بهره‌برداری رسیده بود، به انگلیس‌ واگذارد و بدین‌ترتیب، مصر نقطه‌ی ژئوپلیتیک خود را از دست داد. با حضور در مهم‌ترین نقطه‌‌ی جغرافیایی که اروپا را به آسیا از راه قاره‌ی آفریقا و از راه دریا متصل می‌کرد، انگلستان نه‌تنها قوی‌تر از رقبای دیگرش از جمله فرانسه در آن دوره‌ی تاریخی شد، بلکه مصر استقلال‌یافته از فرانسه، اسیر دست انگلستان شد. آن‌چنان دخالت انگلستان بر اوضاع مصر بالا رفت که در اوایل قرن بیستم، مصر رسماً تحت‌الحمایه‌ی استعمار انگلستان شد و آن سبو بشکست و آن پیمانه ریخت.

امروز منهای ژئوپلیتیک
دنیای امروز تغییر کرده است. دیگر نزاع‌های اصلی بر سر سرزمین و تصرف فیزیکی آن نیست. به همین دلیل هم کلیدهای دنیا تغییر کرده‌اند. یکی از عناصر کلیدی ژئوپلیتیک آینده، «انرژی» است که حرکت چرخ‌های اقتصادی را تأمین می‌کند. در روزگاری که انقلاب صنعتی به وقوع پیوست، مردم جهان وابستگی انکارناپذیری به انرژی‌های فسیلی پیدا کردند. دلیل اینکه ایران برای استعمارگران غربی از 1908 میلادی به این‌سو مهم‌تر شد، این بود که علاوه بر همسایگی با هندوستان، سفره‌های زیرزمینی نفتی در آن کشف شد و این‌ها همان اهدافی بود که باعث می‌شد استعمارگران وقت، ایران را به دو قسمت کنند. شمال ایران و امتیاز شیلات به روس‌ها رسید و جنوب را با نفتش انگلیس‌ها برداشتند.

اما امروز با رو به پایان ‌بودن سفره‌های زیرزمینی فسیلی و همچنین سیاست بهره‌وری از آن، تلاش برای یافتن انرژی‌های جایگزین امری حیاتی شده است. در حقیقت، گذر از عصر استفاده از سوخت‌های فسیلی، یکی از همان نقاطی است که قدرت‌های آینده را معلوم می‌کند. ابعاد بازار انرژی جهانی بسیار گسترده است. براساس گزارشی که در سال 88 در مرکز تحقیقات استراتژیک مجمع تشخیص صورت گرفت، «برآوردها نشان می‌دهد که حجم بازار انرژی در حد پانزده هزار گیگاوات است. از نظر ارزش، این صنعت متجاوز از شش تریلیون دلار گردش مالی ایجاد می‌کند که رقمی در حدود یک دهم ارزش اقتصاد جهان است. برآورد نشان می‌دهد که حجم بازار انرژی جهان در سال 2050 میلادی، متجاوز از سی هزار گیگاوات خواهد رسید.»[2]

ارزان بودن و سهولت استفاده از انرژی جایگزین، الزامات انکارناپذیر عبور از سوخت فسیلی خواهد بود. کشورهایی که می‌خواهند مستقل باشند و زور نشنوند، باید با بهره از انرژی‌های جایگزین، یعنی مجموعه‌ای از انرژی‌های باد، آب، خورشید و هسته‌ای، برای خود بسته‌های انرژی ایجاد کنند. امروز حتی برخی از کشورها با استفاده از فناوری‌های نوین، نسل جدیدی از بهره‌برداری از سفره‌های زیرزمینی را به‌ راه انداخته‌اند. در این میان، سهم انرژی هسته‌ای به دلیل ارزان، غنی و پرظرفیت بودن، در تأمین سوخت آینده بیشتر است و اگر امروز در دنیا چالش بر سر انرژی هسته‌ای وجود دارد، دلیلش این است که عده‌ای از کشورها به دنبال انحصار این نقطه‌ی کلیدی هستند تا توانایی تولید «اورانیوم غنی‌شده» یعنی همان «سوخت هسته‌ای» را فقط در اختیار خود داشته باشند. سوخت هسته‌ای همان چیزی است که نقش نفت و گاز امروز را برای نیروگاه‌های تولید انرژی در آینده‌ای نه‌چندان دور، بازی خواهد کرد. اقتصاد دهه‌های آینده متصل است به چرخیدن سانتریفیوژها. به همین دلیل هم هست که الزاماً باید «سهم برق هسته‌ای ایران تا سال 2030 (1407 شمسی) به ده درصد برسد.»[3]

سانتریفیوژِ امروز، کانالِ سوئزِ دیروز است. سانتریفیوژ یکی از همان نقاط ژئوپلیتیکی است که در دست هرکسی باشد، می‌تواند کشورهای دیگر را وابسته به خود کند. به همین دلیل تا زمانی که آن نقطه‌ی ژئوپلیتیک را داشته باشیم، «دشمن فعلاً نمى‌آید با آرمان‌ها، معارضه‌ى صریح بکند.»[4] اما «اگر ما عقب‌نشینى کردیم، به‌صراحت هم می‌رسد.»[5] زیرا برای زندگی‌مان وابسته به او خواهیم شد که اگر شدیم، استقلالمان را از دست خواهیم داد؛ یعنی آرمانمان را، یعنی آن سبو می‌شکند و آن پیمانه می‌ریزد...

پی‌نوشت‌ها:

[1]. ازغندی، علیرضا، مسائل نظامی و استراتژیک معاصر، سمت.
[2]. خلعت‌بری، فیروزه، رویکرد آینده‌پژوهی به آینده‌ی انرژی در ایران، مرکز تحقیقات استراتژیک مجمع تشخیص مصلحت نظام، سال 88.
[3]. معاون برنامه‌ریزی شرکت مادر تخصصی تولید و توسعه‌ی انرژی اتمی ایران، ایرنا:
http://www7.en.irna.ir/fa/News/81481962/
[4 و5] .  دیدار رهبر انقلاب اسلامی با مردم قم.

پوشش های پلی الکترولیت

به عنوان یک جایگزین برای مواد فعال کننده‌ی سطحی، پوشش دهی کنترل شده‌ی nZVI با پلیمرهای با وزن ملکولی بالا ممکن است به عنوان یک فرایند غیر برگشت پذیر در نظر گرفته شود و بنابراین یک روش مناسب تر برای افزایش موبیلیته‌ی هیدرولیک nZVI در سیستم های زیرلایه ای است. همانند روش استفاده از مواد فعال کننده برای افزایش پایداری کلوییدی( ممانعت فضایی)، این پلیمرها به طور فیزیکی یا شیمیایی به سطح نانو ذرات می چسبند. یک مزیت دیگر این است که این پوشش های پلیمری ممکن است همچنین به عنوان مبع انرژی برای برانگیختن فعالیت میکروبی عمل کند. همچنین این روش ممکن است برای زدایش آلودگی ها در محیط های با کربن محدود، مورد استفاده قرار گیرد. پوشش های پلی الکترولیت زیادی مورد بررسی قرار گرفته اند. این مواد عبارتند از بوتیل متااکریلات، کربوکسی متیل سلولز، پلی ( 4 استیرن سولفونات)، پلی اکریلیک اسید، پلی آسپاریت، پلی اکسی اتیلن سوربیتان مونولاریت، پلی متیل متا اکریلات، پلی متیل اکریلیک اسید، پلی استیرن سولفونات، پلی وینیل الکل-وینیل استات ایتاکونیک، پلیمرهای تری بلوک، و صمغ گزانتین. در گستره‌ی وسیعی از شرایط موجود در آب های زیر زمینی، این نوع از پوشش ها دارای پایداری چند ماهه هستند.
دو ماده‌ی متداول مورد مطالعه کربوکسی متیل سلولز و صمغ گوار است. اولی از جنس سلولز و دومی از دانه های گوار بدست می آید. این دو ماده که قندهای چندتایی هستند، بسیار ارزان قیمت، غیر سمی، قابل حل در آب طبیعی و زیست تخریب پذیر هستند. در آب هر دو نمونه، غیر یونی و هیدروکلوییدی هستند و به طور طبیعی باردار می مانند و بوسیله‌ی میزان استحکام یونی یا پی اچ متداول در محیط( 5 تا 9) تحت تأثیر قرار نمی گیرد. این به نظر محتمل تر به نظر می رسد که سایر روش ها برای بهبود پایداری کلوییدی nZVI که در آینده به وجود خواهد آمد، بر پایه‌ی استخراج پلتوریا از بیوپلیمرهای ارزان قیمت موجود، بوجود خواهد آمد. و بدین وسیله قیمت تولید کاهش می یابد و همچنین تطابق بیشتری با محیط ایجاد می شود. بیوپلیمرهایی مانند آلگینات و نشاسته‌ی سیب زمینی هم اکنون مورد بررسی قرار گرفته اند و موفقیت آنها به اثبات رسیده است. اما کاندیداهای موفق تری ممکن است در آینده‌ی نزدیک تولید شوند.

بهبود موبیلیته‌ی nZVI برای میانجی گری دوباره‌ی مایعات غیر آبی

محققین در مرکز فضایی کندی( NASA) و دانشگاه فلوریداری مرکزی اخیرا یک روش جدید برای تصفیه‌ی مایعات غیر آبکی( NAPL) ابداع کرده اند که به آن nZVI ی امولسیون شده( E-nZVI) نامیده می شود. این روش یکی از تنها روش هایی است که به طور مؤثر برای تصفیه‌ی درجای مایعات غیر آبی دانس مورد استفاده قرار می گیرد. ر.وش E-nZVI شامل آگلومره شدن ذرات nZVI است که در قطرات اطراف ماده‌ی فعال کننده‌ی سطح و لایه‌ی روغن قرار گرفته اند( این حالت یک غشای روغن- مایع ایجاد می کند). غشاء هیدروفوب به DNAPL اجازه‌ی نفوذ می دهد. که در نتیجه‌ی آن این مواد به صورت کاهشی دی کلرینه می شوند( با استفاده از E-nZVIدر فاز مایع). غشاء محافظ همچنین به E-nZVI اجازه‌ی می دهد تا از میان زیرلایه عبور کند( به عنوان DNAPL). با این کار غشاء از خوردگی جلوگیری می کند. کپسوله شدن nZVI در یک غشای هیدروفوب همچنین ماده را از بوجود آمدن واکنش های ناخواسته با مواد موجود در آب های زیرزمینی مانند مواد آلی( که ممکن است ظرفیت فعالیت آن را کاهش دهد)، محافظت می کند. روش های دیگر شامل استفاده از پلیمرهای تری بلوک و یک سری مواد فعال کننده‌ی سطح و روغن های غیر قطبی تخریب پذیر است.

پوسته های محافظ و ساپورت های جامد

استفاده از پوسته های محافظ در اصل برای کاربردهای مغناطیسی( مانند حافظه های داده)، دارو رسانی، تصویر برداری پزشکی و خالص سازی پروتئین طراحی شده است. این پوشش ها همچنین برای بهبود موبیلیته‌ی هیدرولیک و افزایش طول عمر nZVI ها کاربرد دارد. پوشش های مورد بررسی قرار گرفته عبارتند از سیلیس، پلیمرها و کربن. این پوشش ها دارای خاصیت بهبود دهندگی هستند و پایداری بیشتری نسبت به پوشش های پلی الکترولیتی ایجاد می کند. به دلیل پایداری بالای آن در اسید و باز و قابلیت زیست سازگار پذیری، استفاده از کربن ترجیح داده می شود.
استفاده از ساپورت های جامد نیز مورد بررسی قرار گرفته است. روشی بوسیله‌ی محققین در مرکز تحقیقات محیط زیستHelmholtz ابداع شده است که در آن نانوذرات آهن را با کربن ترکیب نموده و پلاکت های کربو آهنی تولید می کنند که دارای قطری بین 50 تا 200 نانومتر هستند. ویژگی های جاذب های NAPL ترکیبی در آهن فعال با ظرفیت کاهش آهن صفر ظرفیتی اثبات شده است، در حالی که این مواد دارای ویژگی موبیلیته‌ی هیدرولیک قابل مقایسه با پوشش های فعال سطحی و پوشش های پلی الکترولیتی هستند.

بهبود فعالیت: نانوذرات دو فلزی

یک روش مناسب برای افزایش فعالیت شیمیایی nZVI استفاده از فلزات گران بهاست( مانند Pd، Pt، Ag، Ni، Cu و ... ) است. در سال های اخیر مطالعات عملی گسترده ای بر روی nZVI های دو فلزی برای کاربردهای جدایش آلودگی، انجام شده است( مثلا استفاده از Fe/Ni، Fe/Pt، Fe/Ag و Fe/ Pd). در این زوج های الکتروشیمیایی، آهن با ظرفیت صفر به عنوان آند در نظر گرفته می شود و در طی فرایند اکسید شدن، با تشکیل یک پیل گالوانیک، از خوردگی جلوگیری می شود. آزمایشات نتایج مختلفی از خود نشان می دهد( بسته به کارایی نتایج تغییر می کند). کاهش شیمیایی آلودگی های جذب شده در سطح nZVI ی دو فلزی از طریق انتقال مستقیم الکترون با فلز گران بها یا از طریق واکنش با هیدروژن تولید شده بوسیله‌ی اکسیداسیون آهن، کاهش می یابند. هیدروژن به احتمال زیاد به عنوان گاز حل شده وجود دارد. برخی از این گازها در سطح ذره جذب می شوند( به احتمال زیاد یک مقدار هیدرید فلزی فعال در معرض فلز گران بها وجود دارد.
برای تمیز نمودن آلودگی های آلی کلر دار مانند TCE یا PCP، این مشاهده شده است که هیدوژن محرک غالب برای تخریب است. در واقع این تخریب با شکستن پیوندهای c-cl و مبادله‌ی خود برای کلر، بوجود می آید. برای nZVI های فلزی، یک توالی برتر از کاتالیست ها دی کلرواتیلن و وینیل کلرید هستند که بوسیله‌ی TCE شکسته می شوند. همچنین هیدروژنی شدن سریع در سطح ذرات مشاهده شده است. این مسأله به عنوان محدودیت nZVI های تک فلزی به شمار می رود. این مسئله به این دلیل اتفاق می افتد که کاهش مستقیم آب بوسیله‌ی Fe بسیار آرام تر رخ می دهد بدون آنکه یک اثر گالوانیک بوجود آید و در نتیجه هیدژنولیز گونه های آلودگی محدود شود.

آیا دوفلزی ها نسبت به تک فلزی ها دارای مزیت هستند؟

در آمریکا، تقریبا 40% از تمام پروژه هایی که بر روی nZVI کار می کنند، از nZVI ی دو فلزی استفاده می کنند( تقریبا 50% استفاده ها، از نوع nZVI ی استاندارد است)؛ در حالی که در اروپا در هیچ یک از زمینه های کاربردی از ذرات دوفلزی استفاده نمی شود. برای توسعه‌ی تجاری nZVI های دو فلزی دو حقیقت اجتناب ناپذیر وجود دارد:
این مواد تنها وقتی نسبت به nZVI های تک فلزی دارای برتری هستند که هم دارای کارایی بهبود داده شده باشند و هم قیمت آنها با nZVI های تک فلزی قابل رقبت باشد.
هنوز هم دغدغه هایی در مورد سمیت برخی از فلزات گران بها وجود دارد. برای مثال Ni بوسیله‌ی اداره‌ی محیط زیست انگلستان به عنوان یک فلز سمی معرفی شده است.
در سیستم های nZVI ی دو فلزی، بازده واکنش کاتدی برای تعیین سرعت خوردگی ذرات در نظرگرفته می شود. اگر این سرعت بسیار بالا باشد، واکنش کاتدی نیز بالا خواهد بود اما طول عمر مفید آن کم خواهد بود. در نتیجه این پیشنهاد شده است که nZVI های دوفلزی عموما برای کاربردهای میانجی گری مجدد مناسب ترند( در این کاربردها زمان مهاجرت کوتاه برای آرایش گرفتن آلودگی ها مورد نیاز است). این از مقالات فهمیده می شود که فعالیت nZVI ی دو فلزی به تعدادی از فاکتورها مانند اندازه‌ی ذرات، شیمی فیزیک، و انتخاب مقدار فلز گران بها بستگی دارد. برخی مطالعات مقادیر بهینه‌ی مربوط به این فاکتورها را تعیین کردند. در حالی که سایر مطالعات مقادیر چند برابر را برای مقدار بهینه در نظر گرفته اند. یک نیاز منتج شده برای شناسایی اصول و مقادیر کمی فعالیت مواد nZVI ی دو فلزی وجود دارد.

تصفیه‌ی گرمایی

اخیرا تلاش هایی برای بهبود ساختار فیزیکوشیمیایی nZVI ها بدون استفاده از آلیاژسازی و یا دوپ کردن مواد دیگر در آنها، انجام شده است( آلیاژسازی و دوپ کردن این مواد دارای بدی هایی است). در این تلاش ها از تصفیه‌ی گرمایی در خلأ استفاده شده است.
این تأیید شده است که یک طیف وسیعی از روش های سنتز nZVI ها شامل روش های بسیار متداول( مانند روش کاهش بروهیدراتی آهن(II)) باعث تشکیل عیوب در داخل ساختار شبکه ای می شود( هم در فلز بالک و هم در اکسید فلز). این وجود عیوب به طور قابل ملاحظه ای بر روی فعالیت ذرات اثر می گذارد. به عنوان یک نتیجه باید گفت که تصفیه‌ی حرارتی( یا آنیلینگ) یک فرایند متداول است که در متالورژی از آن استفاده می شود و بوسیله‌ی آن استرس های داخلی آزاد می گردد، ساختار دانه ریز می شود و شرایط تعادل در داخل یک فلز ایجاد می شود. این روش یک روش مناسب جهت بهبود ترکیب فیزیکوشیمیایی nZVI ها در نظر گرفته می شود.
با آنیلینگ تحت خلأ nZVI ها در دمای 500 و در فشار کمتر از بار به مدت 24h، اثرات فیزیکوشیمیایی بسیار خوبی بر روی ساختار nZVI ایجاد می شود. این تغییرات شامل یک کاهش در مساحت سطح به میزان بیش از 75%( از 19.0 به 4.8 ) است که به پیوند دهی نفوذی ذرات مجزا بستگی دارد ولی این تغییر موجب بهبود در ساختار فیزیکی و شیمی سطح می شود. این بهبودها درساختار فیزیکی و شیمی سطح عبارتند از:

آرایش مجدد و ری کریستالیزاسیون هسته های فلزی

کاهش زخامت به طور همزمان، آب زدایی و ریز شدن استوکیومتری اکسید سطحی

مهاجرت ناخالصی ها به سمت سطح ذرات و مرزدانه ها

یک مطالعه‌ی کامل بر روی nZVI های آنیل شده و آنیل نشده با هدف بررسی ویژگی های زدایش آلودگی، نشان داد که آنیل تحت خلأ nZVI ها باعث می گردد تا نتایجی بهتر و یا نتایجی در حد نتایج حاصل از استفاده از nZVI های آنیل نشده پدید آید. با در نظر گرفتن کاهش مساحت سطحی، آنیلینگ یاعث افزایش فعالیت ذرات می شوند و باعث تشکیل یک شبکه‌ی الکتریکی مؤثر در داخل ساختارهای nZVI ی آنیل شده می شود. این مسئله به دلیل افزایش نسبی آهن(II) به آهن(III) در داخل اکسید سطحی بوجود می آید و همچنین ظرافت لایه های مغناطیسی یکنواخت مگنتیت( )نیز افزایش می یابد.
مگنتیت دارای ساختار اسپینل معکوس است که در آن آهن(II) و آهن( III) در موقعیت های اکتاهدرال قرار دارند و همچنین ارتباط الکتریکی مناسب میان این سایت ها وجود دارد. در نتیجه مگنتیت یک نیمه رسانای قوی است. و وقتی به صورت فیلم بر روی آهن صفر ظرفیتی قرار می گیرد، احتمالا یک سطح کاتالیستی ایجاد می کند که انتقال الکترون از فلز به اکسید را تسهیل می کند. در nZVIهای اصلاح نشده، مگنتیت سطحی دارای عیوب بوده و کریستالینیتی آن کم است و ممکن است در آن سایر فازهای اکسیدی غیر رسانا نیز وجود داشته باشد. در نتیجه رفتار کاتالیستی اکسید سطحی محدود می گردد و در مراحل اولیه‌ی فعالیت در آب( که خوردگی الکتروشیمیایی به طور مستقیم وجود دارد) آهن صفر ظرفیتی حل می شود تا جایی که یک لایه‌ی اکسیدی یکنواخت تشکیل شود. از لحاظ مقایسه ای، مگنتیتی که بر روی nZVI های آنیل شده حضور دارد، پوششی یکنواخت بوده و دارای استوکیومتری معین و رسانایی الکتریکی خوبی است به نحوی که رفتار رسانایی به طور زیادی بهبود پیدا کرده و از تماس مستقیم آهن صفر ظرفیتی با آب جلوگیری می شود(شکل 1).
در نتیجه هم فعالیت ذره بهبود می یابد و هم سرعت خوردگی اولیه محدود می شود. نتایج همچنین نشان داد که آلودگی هایی مانند اورانیوم برای دوره‌ی زمانی طولانی بر روی nZVI های آنیل شده، باقی می ماند؛ شاید این مسئله نشاندهنده‌ی این است که در مراحل اولیه‌ی واکنش، یک بخش بزرگتر از اورانیوم( VI) بوسیله‌ی اکسید اورانیوم(IV) پوشش داده می شود. این کار از طریق رسوب دهی کاهشی کاتالیست شده بوجود می آید.

استراتژی تزریق NZVI

از لحاط مفهومی با تزریق نانوذرات در هر نقطه و عمق یک سیستم آب زیر زمینی، روش مورد استفاده و توزیع و کیفیت ترزیق به طورنمونه وار به ژئولوژی و ژئوشیمی مکان آلودگی بستگی دارد. جز این است که تنها عمق تزریق کافی است تا هزینه های توسعه‌ی پروژه را بالا ببرد علت این موضوع این است که با افزایش عمق فشار تزریق باید زیاد تر گردد. غیرهموژن بودن زیرلایه مانند وجود لایه های بسیار سخت، قوه سنگ ها، حفرات و بافت ها و ویژگی های سطحی مانند سنگ های منفرد، رودخانه ها، ساختمان ها، و گذرگاه ها ممکن است بر روی مکان های تزریق پیشنهاد شده، اثر بگذارد. به هر حال بیشتر کمپانی های موجود در بازار به طور نمونه وار از روش های تزریق تهاجمی استفاده می کنند که در آن اغلبا با استفاده از شکستن پنیوماتیک یا هیدرولیک محیط، حرکت nZVI ها در داخل سوراخ های خاک تسهیل می گردد.
برای ایجاد یک ارزیابی مؤثر مکانی، تمام ناهمگونی های ژئولوژیکی باید با استفاده از مدلی تعیین گردد که تمام پارامترهای هیدرولیک و شیمیایی را در نظر گرفته است. زمانی این مسأله حاصل می شود که مهندس زمین شناس به طور تئوری و یا عملی تعیین کند که nZVI ها مناسبند و اگر چنین شود:
مقایسه‌ی nZVI ها امکان پذیر می شود.
توسعه‌ی این استراتژی قابل انجام خواهد شد
پس یک آزمون پایلوت در یک ناحیه‌ی کوچک از سایت انجام می شود تا هر چالش پیش بینی نشده ای که با این پروژه در ارتباط است، تعیین شود. داده ها و شواهد می تواند سپس تطبیق داده شوند تا بدین صورت یک استراتژی زدایش مناسب حاصل شود که شامل مقایسه، مقدار و غلظت مخلوط های nZVI ، وسایل تزریق، محل، عمق، منشأ، فشار، سرعت جریان و زمان انجام کار می باشد. سایر فاکتورهای لوجستیک دیگر که باید درنظر گرفته شوند، عبارتند از: ایمنی نیروی کار، پتانسیل آزاد سازی تصادفی nZVI ها، اثر این پروژه برروی گیاهان و جانوران و استراتژی مانیتورینگ و تصفیه‌ی تکراری.
همانگونه که بوسیله‌ی Trantnyek و Johnson پیشنهاد شده است، روش تزریق nZVI می تواند برای تصفیه‌ی آلودگی های ساکن و متحرک استفاده شود(شکل 2).
برای تصفیه‌ی آلودگی های متحرک، nZVI های با موبیلیته‌ی کم برای ایجاد یک نقطه‌ی تصفیه‌ی فعال پیشنهاد می شود. این نانوذرات به طور مداوم تزریق می شوند و جذب سفره‌ی آب می شود و یک فیلتر فیزیکوشیمیایی تشکیل می دهد. برای تصفیه‌ی آلودگی های استاتیک که مایعات با فاز غیر آبی نامیده می شوند، نانوذرات nZVI ی متحرک انتخاب می شود و به بخش بالا دست سفره‌ی آب تزریق می گردد. در حالی که از لحاظ تئوری این مسئله بسیار راحت است اما هر دو روش نیازمند کنترل دقیق شرایط وسرعت خوردگی nZVI است. در مقایسه با تکنولوژی های فعال و نفوذی، اطلاعات اندکی در مورد اثر مسدود شدن حفرات( ناشی از حضور فیزیکی nZVI ها و محصولات خوردگی با حجم بالا) وجود دارد. برای مثال فروهیدرید 600 % بزرگتراز جرم آهن است. در رویدادهای معین، این مسئله دارای مزیت هایی است. به هر حال اگر این کار به درستی انجام شود، آلودگی ها می توانند سهوا به داخل محل متفاوت جهت دهی شود. این مسئله فاکتوری مهم است و دارای چشم انداز مهمی در مقالات است.
همانگونه که در بخش قبل اشاره شد، نوع و غلظت مواد تشکیل دهنده‌ی زمین و سفره‌ی آب زیر زمینی( همراه با ناخالصی)، سدی بزرگ در برابر مکانیزم توسعه‌ی nZVI هاست. همچنین حضور دهنده های الکترونی، مخصوصا در محل سفره های آب زیرزمینی رسوبات یخ زده حاصله از سنگ های بستر هستند، می تواند باعث کلوخه ای شدن nZVI ها و در نتیجه ژله ای شدن مواد و بسته شدن منفذ ها می گردد. در نتیجه علاوه بر روش های استاندارد مانیتورینگ مکان، تعیین توزیع فیزیکی و شیمیایی nZVI در ماده، می تواند به طور مناسب توصیف شود تا بدین وسیله فید بک های مستقیم برای ارزیابی سیستم مهیا گردد. در حال حاضر، هیچ وسیله‌ی قابل حملی تولید نشده است که بتوان از آن برای تشخیص درجای نانوذرات استفاده نمود. به هر حال اندازه گیری پتانسیل اکسایش و کاهش آب زیر زمینی یک پارامتر کاربردی برای تعیین nZVI هاست.

سمیت محیط زیستی nZVI

نانوذرات در بسیاری از محصولاتی که ما هرروزه آنها را استفاده می کنیم، حضور دارند. این مواد به طورمخفیانه وارد محیط زیست می شوند و هر روزه نیز به مقدار آنها اضافه می شود. اگرچه توازن جرمی کنونی برای نانوذرات در سیستم های محیطی هم اکنون تعریف نشده است، این امکان پذیر است که با افزایش این مواد درمحیط زیست، مقادیر انبوهی از نانوذرات آنتروپاتوژنیک بتوانند راه خود را به منابع خاک، اتمسفر و سیستم های گیاهی و آبزیان باز کنند.
در این ارتباط، جنبه‌ی عمدی تزریق نانوذرات مهندسی شده به داخل سیستم های آب، ولواینکه به عنوان یک عامل درمانی کار کند، دارای مسائل و دغدغه هایی است که هم در سطح دانشگاه و هم صنعت وجود دارد. ویژگی های یکسانی که باعث می گردد nzVI ها به طور بالقوه برای پالایش محیط زیست مفید باشند( مخصوصا کوچکی و فعالیت اکسایش کاهشی آنها نیز باعث می شود تا برای محیط زیست مضر باشند. امروزه یک تعداد محدود از مطالعات سمیت سلول های مختلف را در مواجهه با این مواد گزارش می دهد.
Keenan و همکاران نشان داده اند که nZVI می تواند به سرعت با اکسیژن واکنش داده و باعث گردد سلول های جگر بمیرند، درحالی که Pisanic و همکارانش مشاهده کردند که آسیب ها و رشد در سلول های اعصابی که در مواجهه با nZVI ها قرار می گیرند، محدود می گردد. مکانیزم اولیه برای آسیب سلولی به واکنش های اکسایش کاهشی مربوط می شود که به nZVI وابسته است؛ که در این زمان سیکل های کاهشی و تولید اکسیژن فعال( ROS) که ازآهن کاهش یافته در داخل یک سلول حاصل می شود، باعث آسیب دیدن ساختار داخلی DNAی سلول می شود. این نتایج همچنین پیشنهاد می کند که اکسید های آهن یا هیدروکسیدهای آن بوسیله‌ی خوردگی nZVI ها ایجاد می شوند، ریسک کمتری را ایجاد میکند زیرا سمیت ذاتی نانودرآنها کاهش یافته و با اکسید شدن حجم آنها افزایش می یابد و ازنانوبه ابعاد میکرو وارد می شوند و بدین وسیله به طور زیادی خطرات آنها را کاهش می دهد.
یک مطالعه که بوسیله‌ی Pisanicانجام شده است، نشا ن می دهد که NZVI های با پوشش های پایدارکننده مانند اسید پلی اکریلیک ، آسیب های زیادتری ایجاد میکنند زیرا ذرات در دوره ای طولانی ترو بدون آسیب دیدن رها سازی می شوند. شکل و اندازه‌ی ذرات نیز بر روی سمیت این نانوذرات اثر دارند. و هر چه اندازه کاهش می یابد بر میزان سمیت افزوده می شود.
تاکنون تست های درجای آزمایشگاهی نشان داده است که سمیت nZVI ها برروی کشت سلول های ایزوله شده و ارگانیزم های مورد آزمایش به طور آنی اثر می گذارند؛ اما تحقیقات انجام شده بر روی نمونه های طبیعی دارای محدودیت های بیشتری هستند. این ممکن است اثبات گردد که نانوذراتی که در محیط های طبیعی وجود دارند، سمیت کمتری نسبت به گونه هایی که در آزمایشات مورد استفاده قرار می گیرند، دارند. برای مثال در یک مطالعه که بوسیله‌ی Tong و همکارانش انجام شده است، نشان می دهد که فلرن که به صورت آزمایشگاهی میکروب ها را تخریب می کند، اثرات تخریبی قابل توجهی به کشت های میکروبی موجود در خاک وارد نمی کند( حتی پس از 30 روز در تماس بودن).

nZVI در زدایش طبیعی

صرفه نظر از کارایی nZVI ها برای زدایش آلودگی از محیط زیست، مکان های آلوده به زدایش بیولوژیکی وابسته اند. زدایش بیولوژیکی یک فرایند همزمان و تأخری است و برای جلوگیری از آزاد سازی آلودگی های فلزی و متالوییدی استفاده می شود. واکنش های میکروبی موجود درمحیط که با مشارکت آهن انجام می شود، هم واکنش های کمک کننده و هم واکنش های کاهنده‌ی زدایش آلودگی است. برای مثال میکروارگانیزم های کاهنده‌ی آهن(III) می توانند گستره‌ی وسیعی از فلزات با با ظرفیت بالا را کاهش و رسوب دهند. این کار با آزاد شدن مستقیم آنزیم های کاهنده رخ می دهد اما این نیز نشان داده شده است که گستره‌ی وسیعی از فلزات ناچیز به فازهای آهن( III) پیوند می دهند.
مطالعات ابتدایی با استفاده از nZVI ها نشان می دهد که نتایج ترکیبی به انتخاب پارامترهای ترکیبی بستگی دارد. به هر حال بیشتر مطالعاتی که از نمونه های واقعی در غلظت های بسیار کم نانوذرات استفاده می کنند، دارای اثرات حداقلی بر روی عملکرد میکروارگانیزمها، گیاهان و خاک دارند. در حالی که شرایط کاهش شیمیایی که با کاربرد nZVI ها همراه است، با شرایط توسعه و رشد غیر هوازی باکتری ها قابل مقایسه است، قابلیت میکروارگانیزم ها برای زنده ماندن در شرایط کاهشی بسیار قوی نیازمند بررسی های مجدد می باشد. علاوه بر این اثبات شده است که شرایط کاهشی متوسط برای برخی از میکروب های غیر هوازی مانند methanogens هم جوابگوست؛ اما تحقیقات دیگری برای تعیین روش های متابولیکی درگیر در این شرایط مورد نیاز است.
همانگونه که در بخش قبل توضیح داده شد، پتانسیل آزاد سازی فلز و یا آلودگی های فلزی بوجود آمده بعد از یک دوره‌ی زدایش آلودگی، موضوعی است که ممکن است توسعه‌ی این تکنولوژی را با چالش مواجه کند. همچنین نیازاساسی برای تعیین طبیعت بازگشت پذیری یک چنین واکنش های شیمیایی و یا رویه های بیولوژیکی وجود دارد تا بوسیله‌ی آنها ترکیب های فیزیکوشیمیایی مناسب nZVIهای مناسب تعیین گردد.

قوانین انگلستان

استفاده از nZVI برای کاربردهای محیط زیستی در جا در بسیاری از کشورها حالتی قانونی پیدا کرده است. مثلا در آمریکا، کانادا، چکوسلواکی، آلمان، ایتالیا، اسلواکی و ... . سایر کشورها مانند انگلستان هنوز هم یک چارچوب قانونی برای استفاده از این مواد در کاربردهای تجاری دارند. از آنجایی که آکادمی و جامعه‌ی سلطنتی مهندسی علم نانو و نانوتکنولوژی در سال 2004 فرصت ها و ابهامات این علم را گزارش داده است، این آکادمی از این مسئله دفاع می کند که یک روش ایمنی برای ورود به نانوذرات مهندسی شده به محیط زیست باید تدوین گردد تا بدین وسیله اثرات محیط زیستی این مواد در نظرگرفته شود. این توصیه ها باید برای تمام انواع نانومواد عمومیت داشته باشد و همچنین باید با توجه به اطلاعات مناسب در زمینه‌ی سمیت و اثرات محیط زیستی nZVIها ، تدوین گردد. در نتیجه درسال 2010 در دانشکده‌ی محیط زیست، غذا و امور کشاورزی انگلستان یک کمیسیون در زمینه‌ی تعیین رویه‌ی مزیتی/ ریسکی استفاده از نانوذرات آهن به منظور تصفیه‌ی مکان های آلوده‌ی محیط زیستی ایجاد شده است. این ارگان انتخاب گردید تا رهبری مطالعات را بر عهده بگیرد. پیش بینی می شود که گزارش این سازمان دراواخر 2011 منتشر شود و به عنوان شالوده ای علمی برای این تکنولوژی و همچنین یادگیری اصول رفتار nZVI ها در سیستم های محیطی در آید. به عنوان بخشی از این کار، پیش بینی دقیق موبیلیته‌ی nZVI ها، میزان فعالیت آنها، اثرات اکولوژیکی آنها بسیارمهم می باشد. تحقیقات دیگری باید انجام شود تا این نواحی را پوشش دهد و شواهدی برای اتخاذ تصمیم ایجاد کند.

آزمون جهانی میزان فعالیت nZVI ها

به دلیل پیچیدگی ذاتی بکارگیری ORP در تعیین میزان فعالیت nZVI ها، یک روش جایگزین می تواند استفاده از اندازه گیری میزان گاز هیدروژن تولیدی باشد. این گاز از هیدرولیز آب در طی خوردگی ماده در محلول آبی بوجود می آید. این روش با در نظر گرفتن مقدار nZVI با حجم مایع در حال واکنش دریک ظرف درپوش دار انجام می شود. برای فعالیت nZVI با آب دی یونیزه، یک مول هیدروژن از یک اکی والان مول آهن صفر ظرفیتی تولید می شود. بنابراین مقدار هیدروژن تولیدی به طور مستقیم با مقدار آهن مصرفی در ارتباط است. همچنین این باید مد نظر قرار گیرد که:
میزان فعالیت ماده با ایجاد لایه‌ی اکسیدی یا تشکیل گازهیدروژن برروی سطح کم می شود
مقداری از گازهای موجود در گازتولید را ناخالصی ها تشکیل می دهد مثلا گاز دی اکسید کربن.
به دلیل اینکه جرم و دانسیته‌ی حجمی هیدروژن در آهن صفر ظرفیتی به ترتیب برابر 0.036g/g و0.284g/cm3 است، این روش می تواند با استفاده از مقادیرکوچک و نسبی پودر nZVI و وسایل اندازه گیری بهینه مورد استفاده قرار گیرد. برای اندازه گیری مقدار nZVI موجود در یک دوغاب، شرکت نانوآیرون یک محصول تجاری با نام آزمونگر nZVI به بازار عرضه کرده است.

یک شبکه‌ی تست جهانی برای nZVI

به دلیل وجود انواع مختلف مواد nZVI موجود برای استفاده در میانجی گری مجدد مکانی، امکان گیج شده هر مهندس متخصص در زمینه‌ی زمین و محیط زیست وجود دارد. علاوه براین به دلیل طبیعت واکنش پذیر این مواد، این مواد به زودی فاسد می شوند یعنی تضمین فعالیت پذیری آنها بعد از تولید وجود ندارد (حتی تحت انبارداری های بسیار کنترل شده). بنابراین این مسئله موجب می شود تا یک حس جهانی در زمینه‌ی ایجاد یک رویه‌ی تست جهانی بوجود آمده است. بنابراین مواد مختلفی که بر اساس nZVI ها تولید می شوند، ممکن است با هم اختلاف داشته باشند و یا از هم متفاوت باشند. یک چنین پارامترهایی برای استفاده در بخش دانشگاهی ویژه و خاص هستند تا بدین وسیله اطمینان حاصل گردد که اجرای بررسی ها در زمینه‌ی NZVI ها به طور مستقیم قابل مقایسه است و در بخش تجاری نیز وجود این پارامترها این اطمینان را ایجاد می کند که میزان انجام کنترل کیفیت در این بخش چه مقدار است.

پارامترهای آزمون استاندارد

علاوه بر اطلاعات ایمنی در بوسیله‌ی فروشندگان nZVI ها فراهم می شود، توصیه می گردد تا حداقل اطلاعاتی دیگر نیز بر روی محصولات تولیدی از nZVI ها آورده شده باشد. این اطلاعات عبارتند از: زمان تولید، شرایط انبارداری، ترکیب شیمیایی بالک و سطحی، ضخامت اکسیدی، توزیع اندازه‌ی ذره، مساحت ویژه، پتانسیل زتا، و نقطه‌ی ایزوالکتریک می باشند. داده های آزمون باید همچنین شامل میزان فعالیت و موبیلیته نیز باشند. مورد آخری می تواند شامل داده هایی در مورد پی اچ مناسب در شرایط استفاده به عنوان تابعی از زمان برای یک حجم معین از آب دی یونیزه، باشد. همچنین وجود اطلاعاتی درمورد گونه های شناساگر مناسب مانند متیل آبی نیز یکی دیگر از اطلاعات مهم می باشد. شناساگرها می توانند از جنس کویل های مغناطیسی و .... باشند. همچنین می توان از عبور یک باریکه‌ی نور برای شناسایی ویژگی های آنها استفاده نمود.
تدوین یک گروه از داده های کاربردی برای ماده می تواند به طور باور نکردنی بر روی توسعه‌ی این مواد در آیند اثر گذار باشد. و بتواند رفتار و اثرات nZVI ها بر روی محیط زیست را تعیین کند.

نتیجه گیری

نانوتکنولوژی یکی از بخش هایی با رشد بسیار بالا در دنیای اقتصاد میباشد. هم اکنون بیش از هزاران کالا در دنیا وجود دارد که از نانومواد استفاده می کنند. هم اکنون شواهد زیادی وجود دارد که طی آن می توان از nZVI برای تصفیه‌ی آب ها و خاک آلوده استفاده نمود. این ماده هم فعالیت مناسبی دارد و هم دارای فراوانی مناسبی است. در سال های اخیر ابداعات زیادی در زمینه‌ی تکنیک های تولید، تبیین عملکرد و افزایش پایدار ی و موبیلیته‌ی این ماده بوجود آمده است. به هر حال رقابت پذیری این ماده در برابر سایر روش های درجای تصفیه‌ی آب مانند اکسیداسیون شیمیایی هنوز جای بحث و گفت و گو دارد. تنوع شیمیایی گسترده‌ی nZVIهای مختلف باعث شده تا طیف گسترده ای از اطلاعات گیج کننده در مقالات وجود داشته باشد. در نتیجه برای اینکه مواد nZVI ی مختلف را بتوان از هم تشخیص داد، یک شبکه‌ی جهانی آزمون عملی مورد نیاز است که در این باره گزارش آورده شده است.
مقاله‌ی مروری کنونی همچنین این مسئله را نشان داده است که درحالی که بیشتر تمرکز بر روی روش بالا بردن فعالیت ذرات قرار دارد (روش های ترکیبی دو فلزی و روش تصفیه‌ی حرارتی)، توجه بسیار کمی بر روی کاهش هزینه های تولید یا اثرات اکولوژی استفاده از این مواد انجام شده است.
مقبولیت جهانی nZVI ها به عنوان یک تکنولوژی زدایشی ممکن استبو خوبی ایجاد شده باشد، اما این مسئله تا زمانی آگاهی درستی از رفتار، واکنش ها، و اثرات فراهم نیامده است، کامل نیست. تحقیقات دیگری باید انجام شود تا موبیلیته‌ی nZVI ها، واکنش پذیری، اثرات درازمدت و اکولوژیکی این مواد تعیین گردد.یک چنین شواهدی با ترکیب شدن با روش های کاهش دهنده‌ی قیمت تولید این مواد، برای موفقیت این روش در تصفیه‌ی آب اثر فراوانی دارند.

چکیده:

در 15 سال گذشته، آهن فلزی نانومقیاس (nZVI) به عنوان ابزار جدیدی برای تصفیه‌ی آب ها و خاک آلوده مورد بررسی قرار گرفته است. این تکنولوژی در بسیاری از کشورهای جهان به حالت تجاری در آمده است. به هر حال این مقوله هنوز دارای مقبولیت جهانی نیست. این مقاله‌ی مروری علوم موجود در زمینه‌ی خوردگی محلول nZVI، تولید وتوسعه و روش های افزایش فعالیت ذرات، پایداری و موبیلیته‌ی سطحی را مورد بررسی قرار داده است. دلایل فقدان مقبولیت جهانی نیز در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است. فاکتورهای کلیدی عبارتند از: مشکلات بوجود آمده در دراز مدت، تبدیلات و اثرات سمیت nZVI بر روی محیط زیست، فقدان مطالعات مقایسه ای برای مواد nZVI مختلف و استراتژی های توسعه ای. این مسئله مورد تأکید قرار گرفته شده است که امروزه بررسی های اندکی بر روی سیستم هایی انجام شده است که به طور مستقیم با شیمی، بیولوژی و ساختار محیط این دنیا مربوطند. مطالعات اندکی که در این زمینه انجام شده اند، مسائل جدیدی را مطرح می کنند مثلا پیش بینی ها در زمینه‌ی رفتار فلزات سنگین و رادیونوکلییدها در برابر این مواد جدید (در طی زمان). اهمیت اصلی این موارد به این دلیل است که با آگاهی از آنها قادر خواهیم شد فیزیک، شیمی و بیولوژی استفاده از nZVI (به منظور تصفیه‌ی آب)در دراز مدت را بدانیم.

مقدمه

نانوذرات مهندسی شده: یک ابزار جدید برای تصفیه‌ی آب
نانوذرات با توجه به اندازه‌ی شان، دارای ویژگی های شیمیایی، کاتالیزوری، الکترونیکی، مغناطیسی، مکانیکی و نوری مختلفی هستند. در کمتر از 15 سال، خاصیت میان رشته ای نانو (multidisciplinary) منجر به توسعه‌ی تکنولوژی های جدیدی هم در زمینه‌ی کاربردهای خانگی و هم در زمینه‌ی کاربردهای صنعتی شده است. مثلا توسعه‌ی سیستم های رسانش دارویی یا تصفیه‌ی آب های آلوده را می توان از این قبیل کاربردها دانست.
همین طور که اندازه‌ی ذرات کاهش می یابد، نسبت اتم های موجود در سطح ماده افزایش می یابد.اینمسئله منجر می شود تا تمایل به جذب، واکنش و میان کنش میان اتم ها با اتم های دیگر، مولکول ها و ترکیبات پیچیده افزایش یابد. علاوه بر این اندازه‌ی کوچک به نانوذرات اجازه می دهد تا در داخل سوسپانسیون های آبی آمیخته شوند و سوسپانسیون تشکیل گردد. یک چنین ویژگی های ممتازی برای بسیاری از کاربردها مفید می باشد. برای مثال نقره‌ی با اندازه‌ی بزرگ از لحاظ شیمیایی خنثی است اما نقره‌ی در ابعاد نانو این گونه نیست و برای بسیاری از کاربردها مانند استریلاسیون میکروب ها، جذب نور خورشید و کاربردهای کاتالیستی مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه نانومواد مهندسی شده در بسیاری از محصولات که به طور روزانه از آنها استفاده می کنیم وجود دارد. لیست موجودی محصولات مصرفی تولید شده بر پایه‌ی نانو که بوسیله‌ی Woodrow Wilson منتشر شده است، بیش از 1000 محصول را در لیست مواد بر پایه‌ی نانوتکنولوژی قرار داده است. برای مثال نانولوله‌ی کربنی برای افزایش استحکام وسایل ورزشی و مواد ساختاری مهم مورد استفاده قرار می گیرد. نانوذرات تیتانیوم اکسید برای سطوح خود تمیز شونده و محافظ های نور UV مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین نانو سیلیکون برای افزایش سرعت و بازده پروسسورهای کامپیوتری مورد استفاده قرار می گیرد.
به عنوان جنبه ای از انقلاب جهانی نانو، استفاده‌ی بالقوه از نانومواد مهندسی شده برای تصفیه‌ی آب های آلوده بسیار مد نظر بوده است. در مقایسه با مواد ماکرومقیاس، نانومواد دارای مساحت سطح بسیار بزرگی نسبت به جرم خود هستند. با استفاده از جرم کم از ماده می توان هدف یکسانی را بدست آورد از این رو از لحاظ تئوری، هم در مصرف ماده و هم انرژی صرفه جویی می شود. همچنین به خاطر اندازه‌ی کلوییدی این مواد، تصفیه با سرعت و دقت بالایی انجام می شود و عمق سیستم آب زیرزمینی نیز مسئله ساز نمی باشد.
از لحاظ مفهومی، ویژگی کلیدی مورد نیاز برای استفاده از هر نانوذره‌ی مهندسی شده برای ایجاد واسطه در آب های زیر زمینی آلوده عبارتند از:
واکنش بالای برای زدایش آلودگی
موبیلیته‌ی سطحی بالا در داخل سطوح متخلخل
طول عمر واکنش مؤثر
سمیت کم
این ویژگی ها مشوق های عملی هستند اما در همان زمان ماده باید تولید شود و قیمت آن باید به گونه ای باشد که با سایر تکنولوژی های موجود قابل رقابت باشد. نانوذرات زیادی وجود ندارند که تمام این ویژگی ها و نیازمندی ها را داشته باشند. برای مثال نانوذرات نقره واکنش بالایی با آلودگی های آبی دارند اما پایداری آنها در حالت سوسپانسیون کلوییدی پایین است. به هر حال برای تمیز کردن آب های زیر زمینی هزینه‌ی تولید این مواد در مقادیر کیلوگرم و همچنین مسئله‌ی سمیت آنها، مانع استفاده از آنها می شود. آهن فلز ی، به دلیل قیمت ارزان ، سازگاری با محیط زیست و واکنش پذیری بالای آن، به طور گسترده برای تصفیه‌ی آب مورد بررسی قرار گرفته است.

خوردگی آهن در محلول های آبی

از دیدگاه ساده، خوردگی تخریب ماده بواسطه‌ی عوامل محیطی است که در آن واقع شده است. تولید تمام فلزات از اکسید آنها نیازمند یک ورودی انرژی است و به عنوان یک نتیجه این ماده دارای یک نیروی محرک ترمودینامیکی قوی است تا بدین وسیله به حالت فطری با دمای پایین خود برگردد. این فرایند بازگشت به طور عمومی خوردگی نام دارد. خوردگی یک فرایند اجتناب ناپذیر است اما این فرایند با استفاده از روش های مختلفی می تواند کنترل شود. آهن فلزی همچنین آهن صفر ظرفیتی نامیده می شود. این آهن در محیط های آبی مستعد خوردگی است. خوردگی آن در ابتدا از طریق فرایند الکتروشیمیایی (ایجاد آند و کاتد) انجام می شود. این واکنش آندی از حل شدن آهن (و تشکیل محصولات یونی محلول یا اکسید یا هیدروکسیدهای غیر محلول) انجام می شود. این فرایند با احیای گونه های متمایل به اکسایش- کاهش در کاتد انجام می شود. در آب های طبیعی اجزای اولیه برای واکنش های خوردگی محیا هستند و اکسیژن حل شده (DO) و آب باعث می گردند تا شرایط از لحاظ ترمودینامیکی مهیا گردد (معادلات 1 و 2):

آهن فروس () محصول اولیه‌ی حاصل از این واکنش هاست. همچنین فرایند تبدیل اکسایشی به صورت واکنش های زیر نیز می تواند انجام شود (معادله‌ی 3 و 4):

مفهموم اشاره شده در واکنش های بالا این است که در زمانی که پروتون ها مصرف شوند و یا یون های هیدروکسیل تولید شوند، یک افزایش در پی اچ محلول اتفاق می افتد. این مسئله معمولا در طی مراحل اولیه‌ی آزمایشات انجام شده بر روی محلول های آبی nZVI که در مقیاس آزمایشگاهی انجام می شود، دیده می شود. به طور مشابه به دلیل سطح بسیار واکنش پذیر nZVI ها (این مساحت بالاتر از 100 m2/g است)، وقتی یک جرم قابل توجه از ماده به یک سیستم آبی اضافه شود، کاهش وضعیت ها می تواند با سرعت زیاد حاصل شود (از طریق تولید هیدروژن) (معادلات 2 و 4).

فعالیت محیطی: آهن فلزی یا اکسید آهن؟

در طی خوردگی در محلول های آبی، هر دو نوع آهن () یک منبع تولید ،H_2 ، و انواع مختلف رسوبات شامل و لجن سبز رنگ می شوند. بنابراین این واکنش های خوردگی و محصولات خوردگی هستند که مسئول تبادلات کاهنده و یا از بین رفتن فیزیکی نمونه های شیمیایی موجود هستند. همین طور که رسوبات اکسید آهن و یا هیدروکسید آهن بر روی سطح تشکیل می شود، سطح متخلخل گشته و ماده در طی مراحل اولیه‌ی واکنش ساختار پوسته- هسته پیدا می کند (در این حالت هم جذب (در اکسید یا هیدروکسید) وهم کاهش شیمیایی (در سطح مشترک آهن فلزی- اکسید/ هیدروکسید) داریم). به هر حال همین طور که واکنش پیش می رود، افزایش مقادیر محصولات خوردگی و یک کاهش متناسب در تخلخل ماده می تواند به طور قابل توجهی واکنش های آلوده کننده‌ی مستقیم و را محدود کند. در این مرحله این را باید تذکر داد که به دلیل کینتیک مراحل اولیه‌ی اکسیداسیون ، این فرایند بسیار سریع است. و خوردگی حتی در شرایط بسیار کنترل شده نیز ادامه پیدا می کند. در نتیجه که به یک سیستم محیطی وارد می شود (خواه گرانول باشد خواه به صورت nZVI) دارای یک لایه‌ی سطحی اکسیدی است که به طور خود به خود پس از سنتز ایجاد می شود. بنابراین از این مسئله این باید نتیجه شود که اگرچه این نانومواد فلزی نامیده می شوند، اما هر کدام از ذرات دارای یک لایه‌ی اکسیدی در اطراف خود است.

nZVI: یک ماده‌ی تطبیق پذیر برای تصفیه‌ی آب

بر اساس کارهای اولیه ای که بوسیله‌ی Glavee و همکارانش انجام شده است، nZVI اولین بار بوسیله‌ی Wang و Zhang برای تصفیه‌ی آب های آلوده مورد استفاده قرار گرفت (این کار در دانشگاه Lehigh آمریکا انجام شد). سپس این مسئله به اثبات رسید که nZVI یک ماده‌ی مؤثر برای زدایش گستره‌ی وسیعی از آلودگی های شیمیایی مانند بتا لاکتام، آنتی بیوتیک های بر پایه‌ی نیتروایمیدازول، رنگ های آزو، حلال های کلر دار، آفت کش های کلردار، ارگانوفسفات ها، نیتروآمین ها، نیتروآروماتیک ها، پی کلروفنول، دی فنیل اتر پلی بروماته، بی فنیل کلردار، آنیون های معدنی (مانند نیترات ها، پرکلرات ها، فلزات قلیایی خاکی مانند باریم و برلیوم)، فلزات انتقالی (مانند کرم، کبالت، نیکل، نقره، سرب، مولیبدن، تکنتیوم، و وانادیوم)، فلزات انتقالی دیگر (مانند روی و کادمیوم)، شبه فلزها (مانند آرسنیک، سلنیوم)، آکتنیدها (مانند اورانیوم و پلوتونیوم) است. به دلیل تغییر زیاد در ترکیب شیمیایی آلودگی ها، روش های زدایش بسیاری برای زدایش این مواد ابداع شده است (مثلا روش های جذبی، کمپلکس سازی، هم رسوبی، و کاهش شیمیایی با میانجی گری سطح (جدول 1)).
بر اساس پیشنهاد Li و Zhang برای یون های فلزی مانند یون های کادمیوم و روی، که دارای پتانسیل های الکترودی استاندارد کاهشی نزدیک یا اندکی منفی تر از پتانسیل استاندارد آهن هستند، مکانیزم زدایش با nZVI به طور غالب از طریق کمپلکس سازی سطحی یا جذبی انجام می شود. در مقایسه، با یون هایی مانند جیوه‌ی (II) و مس (II) که دارای پتانسیل کاهشی استاندارد بسیار مثبت تری نسبت به آهن هستند، زدایش به طور غالب از طریق هم رسوبی کاهشی در محیط سطحی رخ می دهد. در جایی که کاتیون های فلزی (مانند نیکل (II) و سرب (II) )تنها اندکی از آهن الکتروپازیو تر هستند، جذب با اندکی کاهش شیمیایی جزئی بوقوع می پیوندد. به هر حال این تشخیص داده شده است که سیستم های تصفیه‌ی nZVI آبی در شرایط استاندارد نیستند و در نتیجه مقایسه‌ی بالا در مورد پتانسیل های، نادرست است. در عوض معادله‌ی نرنست مربوط به پتانسیل های سلولی استاندارد ممکن است برای این وضعیت های حقیقی مورد استفاده قرار گیرد. همانگونه که درجدول 1 می بینید، حضور یک مقدار اضافی از یون های آبی آهن (II) که از حل شدن آندی و سریع nZVI بوجود می آید، می تواند به طور قابل توجهی پتانسیل سلولی را از حالت استاندارد تغییر دهد (زیرا کسر واکنشی ترمودینامیکی تغییر می کند) و از این رو واکنش های کاهشی در آلودگی ها را مطلوب تر می کند.
قابل تشخیص ترین مکانیزمی که بوسیله‌ی آن مواد جامد ، آلودگی ها را از آب های زیر زمینی می زدایند، کاهش شیمیایی است. همچنین در این مکانیزم نیاز است تا آلودگی ها بر روی سطح آهن جذب شوند و یا در نزدیکی سطح فلز قرار گیرند. برای تصفیه‌ی مواد آلی مانند مواد آلی کلردار و بی فنیل های پلی کلرینی، زدایش عموما از طریق تخریب کاهشی ماده‌ی شیمیایی رخ می دهد یعنی آلودگی به طور فیزیکی تخریب می شود. در مقایسه، برای تصفیه‌ی بسیاری از فلزات سنگین و شبه فلزها، از طریق عملیات تثبیت انجام می شود. در این روش آلودگی ها صرفا جداسازی گشته و به صورت فیزیکی تخریب نمی شوند. برای جداسازی فلزات سنگین و مواد پرتوزا، این باید مورد توجه قرار گیرد که همانند بازیافت نانوذرات پس زده شده (با آلودگی های مربوطه) امکان پذیر نمی باشد. این آلودگی ها نه تخریب می شوند و نه از سیستم خارج می شوند. این مسئله چشم اندازی برای بسیج مجدد آلودگی ها در آینده را ارائه می دهد که در این حالت وضعیت های ژئوشیمیایی تغییر می کند. با در نظر گرفتن اختلال های ژئوشیمیایی وسیع که بوسیله‌ی تزریق nZVI بوجود می آید، نقاط تصفیه‌ی زیرلایه اغلبا نیمه پایداری دارند و حتی یک بازگشت تدریجی در شرایط آب های زیر زمینی به سمت حالت پیش از تزریق، ممکن است برای اتفاق افتادن بسیج مجدد کافی است. این یک موضوع کلیدی است که ممکن است توسعه‌ی تکنولوژی را محدود کندکه در بخش بعدی به طور کامل در مورد آن صحبت خواهد شد.
سنتز NZVI
امروزه روش های متعددی برای تولید نانوذرات فلزی وجود دارد. این روش ها عبارتند از روش رسوب دهی از حالت بخار، سایش لیزری-پالسی، روش تخلیه‌ی جرقه ای، کندانس شدن گاز نجیب، روش کندوپاش گازی- تجمعی، تجزیه‌ی گرمایی، کاهش گرمایی ترکیبات اکسیدی، هیدروژن دار کردن کمپلکس های فلزی و کاهش نمک های آهنی در محیط آبی. این روش های تولید را می توان هم به عنوان روش بالا به پایین و هم روش پایین به بالا در نظر گرفت. روش پایین به بالا روشی است که در آن نانوماده از بلوک های ساختاری اساسی و با روش شیمیایی یا فیزیکی تولید می شود. روش بالا به پایین روشی شیمیایی یا فیزیکی است که در آن ماده‌ی بالک شکسته شده و نانوذرات را ایجاد می کند. شکل 1 تفاوت در مرفولوژی ذرات بدست آمده از روش های مختلف را نشان می دهد.
برای تولید مقادیر در حد گرم از nZVI (در حالتی که از وسایل آزمایشگاهی استفاده می شود)، روش کاهش بروهیدراتی نمک های آهنی متداول ترین روش می باشد (شکل 1A). این روش nZVI هایی با واکنش پذیری بالا تولید می کنند. به هر حال این نانوذرات اغلبا دارای توزیع ابعاد متنوعی هستند و گستره‌ی ابعاد آنها از 10 ها تا صدها نانومتر متغیر است و بنابراین بسیار مستعد کلوخه ای شدن هستند. واکنشگرهای گران بها و تولید مقادیر زیادی از گاز هیدروژن نیز از جمله موانع استفاده از این روش در کاربردهای صنعتی می باشد.

قیمتnZVI چقدر است؟

اگرچه آهن بالک ماده ای ارزان است نانوذرات واکنش پذیر بسیار گران هستند زیرا مواد و فرایند های مورد نیاز برای ساخت آن گران بهاست. علاوه بر این، میانجی گری مکانی یکی از بارهای مالی ناخواسته است و همین طور این تکنولوژی های محیطی به طور نمونه وار دارای بازار فروش کمی است. در سال 2004 قیمت nZVI 15 تا 100 پوند بر هر کیلوگرم بود در حالی که آهن میکرونیزه یا گرانول دارای قیمتی کمتر از 1 پوند بر هر کیلوگرم قیمت دارد. بر اساس نوع و مقدار تقاضای بازار امروزی برای nZVI، قیمت این ماده در گستره‌ی 50 تا 150 پوند بر هر کیلوگرم است. برای رقابت با روش های تصفیه‌ی کنونی آب، مانند اکسیداسیون شیمیایی در داخل محیط آبی، قیمت nZVI باید به کمتر از 10 پوند بر کیلوگرم کاهش یابد. در نتیجه در سال های اخیر بررسی های زیادی بر روی توسعه‌ی روش های تولید ارزان قیمت و با مقادیر تولید در حد چند کیلوگرم از این نانوذره انجام شده است؛ علاوه بر تولید انبوه و ارزان قیمت بودن، باید ویژگی فعالیت این نانوذرات نیز حفظ شود.
در سال 2006، شرکت Toda kogyo روشی را توسعه داد که در آن با استفاده از هیدروژن (به عنوان عامل کاهنده)، نانوذرات آهن از نانوذرات اکسید آهن تولید می شوند (در دمای 350 تا 600 درجه‌ی سانتیگراد). اگر چه این فرایند پیچیده ای است و برای رسیدن به مقادیر تجاری از این ماده نیاز است تا از تعدادی مراحل برای تولید نانوذرات اکسیدی استفاده شود و سپس این نانوذرات اکسیدی تولید شده بوسیله‌ی یک فرایند مجموعه ای کاهش یابد. در سال های اخیر شرکت Golder Associates شرکت پیش گام در زمینه‌ی تولید مقیاس بزرگ nZVI بوده است. این شرکت با استفاده از روش سایش مکانیکی آهن بالک در سیستم های آسیاب سیاره ای- گلوله ای، این نانوذرات را در مقیاس بزرگ تولید می کند. در حالی که این روش، روشی مناسب است اما انرژی بالایی نیاز دارد و نانوذراتی تولیدی با این روش دارای انرژی سطحی بالایی بوده، بنابراین مستعد کلوخه ای شدن هستند.

کاهش گرمایی آهن فروس

کاهش کربوترمال آهن فروس اخیرا به عنوان روشی بالقوه در تولید nZVI ارزان قیمت، مورد بررسی قرار گرفته است (شکل 1D). مشابه روش تولید آهن و فولاد از سنگ معدن، روش اشاره شده از انرژی گرمایی و عوامل کاهنده‌ی گازی (مانند هیدروژن، دی اکسید کربن، مونوکسید کربن و ... ) برای تولید نانوذرات بهره می برد. در واقع با استفاده از یک ماده‌ی بر پایه‌ی کربن مانند کربن بلک، پودر گرافیت و ... برای کاهش نانوذرات اکسید آهن استفاده می شود. کربن ماده ای ارزان قیمت است و مساحت سطح بالایی دارد. این روش روشی ارزان قیمت در تولید انواع مختلفی از nZVI ها می باشد. علاوه بر این، با وجود دمای بالای مورد نیاز برای تشکیل آهن صفر ظرفیتی در حضور اکسید آن، این واکنش گرماگیر است و محصولات فرعی آنها را گاز تشکیل می دهد و بنابراین این فرایند، فرایندی قابل توسعه به مقیاس بزرگ می باشد.

الکترولیز

به عنوان یک روش صنعتی مناسب برای تجزیه‌ی فلزات از محلول های یونی، الکترولیز اخیرا برای سنتز nZVI نیز مورد استفاده قرار گرفته است. تنها چیزهایی که مورد نیاز است محلول یون های دو بار مثبت آهن، زیرلایه‌ی رسانا، یک جریان مستقیم و یک روش برای رسوب دهی الکتریکی نانوذرات است. برای تولید nZVI، این روش بسیار ساده ، ارزان قیمت و سریع سیر است. تنها موضوعی که باقی می ماند تعیین روشی مناسب برای پراکنده سازی نانوذرات فلزی تشکیل شده در کاتد است. تلاش هایی که اخیرا برای این کار انجام شده اند عبارتند از استفاده از روش التراسونیک (توسط Chen و همکارانش)، و استفاده از فیلم های تبادل گر یونی (توسط Wang و همکارانش) است. روش آخر روش بسیار مناسبی می باشد.

عصاره های گیاهی پلی فنولیک

شاید بهترین و تطبیق پذیرترین روش با محیط زیست، روش کاهش با استفاده از عصاره های گیاهی فنولیک است (شکل 1E). این روش که بوسیله‌ی محققین VeruTEK و US EPA توسعه پیدا کرده است، در مورد آماده سازی یک محلول پلی فنولیک با استفاده از عصاره های گیاهی در حال حرارت دیدن است (قهوه، چای سبز، بادرنجویه، سبوس ذرت و غیره). این عصاره سپس با یون های در تماس قرار داده می شود. این روش همچنین قابلیت انجام شدن در دمای محیط را دارد. و دارای پتانسیل استفاده شدن در تولید nZVI در جا را دارد. با استفاده از این روش درجا نیاز به تولید و ذخیره سازی و انتقال این ماده از بین می رود. به دلیل اینکه توسعه ها در زمینه‌ی یک کاتالیزور جامد در جا برای بهبود کارایی اکسیداسیون شیمیایی در جا هنوز در مراحل ابتدایی است، این مسئله باعث شده تا استفاده از این فرایند در تصفیه‌ی آب هنوز با مشکلاتی مواجه باشد.
آیا nZVI به حدی که در مطالعات از آن تعریف می شود، خوب است؟
اگر چه میزان تأثیر بالای زدایش گونه های مختلف آلودگی از محلول های سنتزی ساده با استفاده از nZVI ها اثبات شده است، کارهای بعدی بر روی تعیین کارایی این ماده در تصفیه‌ی ترکیبات پیچیده‌ی شیمیایی و یا محلول های حقیقی تمرکز یافته است. این را باید به طور مختصر گفت که برخی از مطالعات قبلی که بر پایه‌ی محلول های ساده بوده است، در مورد میزان اثربخشی nZVI اغراق کرده است. همچنین ثابت شده است که با استفاده از مطالعات میدانی محدود نمی توان در مورد تصفیه‌ی چندگانه‌ی و موقیت در تمیزکاری کامل این مواد صحبت نمود.
این رفتار به طور واضح مطالعات اخیر نشان داده شده است. در مطالعات اخیر بر روی زدایش U از آب های زیر زمینی با استفاده از nZVI کار شده است (در این آب ها مقادیر بالایی بی کربنات محلول وجود داشته است). این فهمیده شده است که nZVI با سرعت بالا و میزان اثربخشی بالا، اورانیوم را از آب های زیر زمینی می زداید حتی در حالتی که در آب ترکیبات پیچیده ای وجود داشته باشد. به هر حال در طی مدت های مدید (بیش تر از یک هقته) تقریبا تمام U باز آزاد شده از سیستم آب زیر زمینی حذف می شود. این مسئله که در حضور محلول های پیچیده اتفاق افتاده است در محلول ساده‌ی اورانیوم دیده نمی شود (حتی پس از 3 ماه). (شکل 2)
این مکانیزم به دلیل کاهش شیمیایی غیر کامل اورانیوم رسوب کرده در سطح (در نمونه های آب زیر زمینی اتفاق می افتد. و اجازه می دهد تا یون اورانیوم (IV) در طی خوردگی نانوذرات دوباره آزاد گردد و کمپلکس های اورانیوم بسیار پایدار دوباره تشکیل می شود. با در نظر گرفتن اورانیوم به عنوان یک مثال، جدول 2 افزایش پایداری آبی اورانیوم 6 بار مثبت را در حضور عوامل کمپلکس ساز معین نشان می دهد. این عوامل کمپلکس ساز معین معمولا در داخل آب های طبیعی وجود دارند.
یک آب زیر زمینی موجود در عمق زمین دارای یک فشار CO_2 به اندازه ‌ی ?10?^(-2) bar است. که این فشار با توجه به رودخانه ها و سایر آب های سطحی افزایش پیدا می کند. برای اورانیوم، حضور CO_2 و هچنین بی کربنات در آب، تشکیل کمپلکس های پیچیده‌ی اورانیوم کربنات را تسریع می کند. این فهمیده شده است که این مسئله دارای یک اثر عمیق بر روی رفتار جذبی و موبیلیته‌ی متناسب با اورانیوم حل شده در حالت 6 ظرفیتی است.
همانگونه که مطالعاتی که تاکنون انجام شده است، از اثر عوامل ترکیبی که در همه‌ی آب های طبیعی وجود دارند، صرفه نظر کرده است، تست های نزدیک به واقعیت بیشتری برای شناسایی نحوه‌ی عملکرد فلزات سنگین و مواد رادیواکتیو در این محیط ها مورد نیاز است. یک استراتژی کاهشی در کاربردهای میدانی می تواند یکی از موارد زیر باشد:
استفاده از یک مقدار nZVI که بیش تر از حد نیاز است
فرستادن nZVI ها در داخل نقطه‌ی آلوده با یک رویه‌ی منظم
هر دو استراتژی به طور آزمایشی یک روش مناسب برای بهبود بازده است. اما این رویه ها از جنبه‌ی ژئوشیمیایی دارای ابهاماتی است. با توجه به این مسئله نیازهای اساسی دیگری برای آزمودن طبیعت برگشت پذیری میانیج گری دوباره در آب های طبیعی و یا آب های دارای ترکیب پیچیده با استفاده از nZVI ها وجود دارد. این مسئله اعتبار استفاده از این تکنولوژی را در مکان هایی می دهد که زدایش دراز مدت و یا میان مدت فلزات سنگین و مواد رادیو اکتیو مورد نیاز باشد.

محرک های عملیاتی بر ای تصفیه‌ی آب

ساختار، ژئوشیمی و هیدورژلوژی هر مکان آلوده مورد نیاز است. در نتیجه این استراتژی که برای توسعه‌ی nZVI مورد استفاده قرار می گیرد، باید پارامترهای عملیاتی مختلفی را مد نظر قرار دهد.
متغیرهایی که باید در مورد بررسی کارایی nZVI بهینه شوند، عبارتند از: گستره‌ی اندازه‌ی ذرات، موبیلیته، فعالیت و طول عمر، استراتژی تزریقو مسئله‌ی سمیت مواد.

اندازه‌ی nZVI

این منطقی است که پیشنهاد گردد با ایجاد بیشترین سطح برای واکنش، کوچکترین nZVI می تواند بهترین کارایی را برای زدایش آلودگی ها فراهم آورد. به هر حال این امکان وجود دارد که در این گستره‌ی اندازه (زیر 20 نانومتر)، ذرات ایجاد شده بسیار واکنش پذیر باشند و از این رو برای کاربردهای درجا مناسب باشند. در عوض با بدست آوردن کارایی بهینه‌ی nZVI ها در هر مکان داده شده، این باید تأیید گردد که یک رابطه‌ی مفهومی میان واکنش پذیری و طول عمر مواد وجود دارد. ذرات با اندازه‌ی مناسب باید به گونه ای انتخاب گردد که فعالیت درجای آنها تضمین گردد و در طی ذخیره سازی و حمل و نقل میزان فعالیت آنها تحلیل نرود.
وقتی ظرفیت فعالیت nZVI ها را در نظر می گیریم، یک فاکتور دیگر که باید مورد تأیید قرار گیرد نسبت ذراتی است که در مقایسه با آهن با والانس صفر اکسید می شوند (به عنوان تابعی از اندازه). با در نظر گرفتن این موضوع که ضخامت اکسید بر روی اندازه‌ی نانوذرات اثر ندارد، در برخی پیشامدها این کمیت به عنوان نسبتی از آهن با والانس صفر در نظر گرفته شود. برای مثال یک ذره‌ی کروی از nZVI که دارای قطر کلی 25 نانومتر و پوسته ای اکسیدی به ضخامت 3 نانومتر است، دارای 56% حجمی اکسید است (شکل 3). در نتیجه در شرایط معمولی اندازه‌ی کوچک تر ذرات باعث می گردد تا کسر حجمی اکسید بیشتر شود. و این مسئله بر این دلالت دارد که در اندازه های بسیار کوچک (زیر 10 نانومتر) تنها بخش کوچکی از ماده را نانوذره‌ی فلزی تشکیل داده است.

بهبود موبیلیته‌ی nZVI

شواهد بسیاری وجود دارد و همچنین در حال حاضر اجماع نظر وسیعی وجود دارد که بر طبق آن موبیلیته‌ی nZVI در محیطهای متخلخل بسیار محدود است (تحت هر شرایطی). بدون استفاده از پوشش های سطحی به منظور کمک به پایداری کلوئیدی، کلوخه ای شدن سریع nZVI اتفاق می افتد. براستی آزمایشات پایلوت اولیه نشان داده اند که میزان مهاجرت زیرلایه ای در nZVI ها بسیار کم است. و اندازه‌ی انتقال ماکزیمم در ذرات پوشش داده نشده‌ی موجود در رسوبات اشباع، تنها چند متر است. کلوخه ای شدن ذرات و لخته ای شدن آنها به عنوان مکانیزم های ایجاد کننده‌ی این رویداد تلقی می شوند. این موبیلیته‌ی بسیار کم nZVI با سه مکانیزم اولیه توصیف می شود:
کلوخه ای شدن ذرات و ژلاتینی شدن متعاقب که بوسیله‌ی پایداری کلوئیدی ضعیف ایجاد می شود.
تشکیل خوردگی حجمی که بوسیله‌ی ایجاد رسوب حاصل از ذرات اکسیدی بوجود می آید.
زدایش ذرات از محلول بوسیله‌ی میان کنش با اجزای زیرلایه مثلا اتصال سطوح مینرالی و مواد کربنی و یا زدایش میکروبی.
یک مثال گویا از کلوخه ای شدن سریع در محلول آبی در شکل 4 نشان داده شده است. در این شکل تصویر الکترون های برگشتی توسط میکروسکوپ الکترونی آورده شده است. این تصویر nZVI های اصلاح نشده را در آب Milli- Q نشان می دهد که این آب در پی اچ 7 قرار دارد. این تصویر با استفاده از یک کپسول Quanto-mix گرفته شده است. در واقع محلول در داخل این کپسول قرار داده شده است.
این مسئله اثبات شده است که در آب های زیر زمینی میان کنش nZVI ی تزریق شده با سطوح مینرال ها پیوسته است. تخمین زده می شود که ادغام ذره با این اجزای متحرک زیرلایه در حد 100 ها بار در هر متر حرکت، انجام می شود. بنابراین برای ذراتی که به طور مؤثر و در نزدیکی تمام این برخوردها عبور می کنند، این ادغام ها موفقیت آمیز است. یعنی پایداری چسبندگی باید بسیار کم باشد. درنتیجه کلید بهبود موبیلیته‌ی ذرات در اصلاح ویژگی های سطحی آن نهفته است به نحوی که این nZVI دارای پایداری کلوئیدی بهبود یافته و یک کاهش مربوط به آن در نزدیکی چسبندگی به سطوح مینرالی، وجود دارد. هنوز هم چالش در مورد اصلاح nZVI و وجود کارایی فعالیت ذره به طور هم زمان وجود دارد. یک روش جایگزین برای بهبود موبیلیته‌ی ذرات بدون تغییر دادن ویژگی های سطحی، افزایش اندازه‌ی ذره است. اتفاق نظر کلی در صنعت این است که بسته به نفوذپذیری جامد، ذرات دارای اندازه‌ی 0.1 – 3 میکرون دارای بالاترین موبیلیته هستند. یک مزیت دیگر در استفاده از یک چنین اندازه‌ی ذره ای این است که هر موضوع زیست محیطی و اقتصادی در مقوله‌ی نانو یک سد تلقی میگردد. علاوه بر این کسر اندازه‌ی ذره‌ی بزرگتر (بزرگتر از 5 میکرون) این امکان را فراهم می کند که بتوان از پودر استفاده کرد (نه از دوغاب) و بدین وسیله حجم ماده‌ی مورد استفاده کاهش یابد و بنابراین نحوه‌ی استفاده از ماده بهبود یابد. آزمون های در مقیاس بزرگ به گونه ای طراحی می شوند که در آن یک مجموعه‌ی بزرگ مورد بررسی قرار گیرد. برای اجرای این کار بررسی های مفهومی بر روی اثرات افزایش اندازه ذره، فعالیت آن و میزان زدایش آلودگی مورد نیاز است.

مواد فعال کننده‌ی سطح (surfactants)

این به خوبی مورد قبول قرار گرفته است که موبیلیته‌ی ذره ممکن است از طریق استفاده از مواد فعال کننده‌ی سطح یا سایر پوشش های پلیمری بهبود یابد. این کار اولین بار در دهه‌ی 1960 و بر اساس یک فروفلویدها انجام شده است که قابل استفاده در معناطیس، اپتیک، بیوفیزیک، پزشکی، رئولوژی و حتی ترمودینامیک است. این کار پایه های تکنولوژی کنونی nZVI را پایه گذاری نموده است. فروفلویدها به عنوان مخلوط های کلوییدی پایدار شده ای از جنس نانوذرات طبقه بندی می شوند که در یک حامل سیال
پراکنده شده اند. این مواد در حضور میدان مغناطیسی به شدت پلاریزه می شوند. پایداری ذره از طریق استفاده از مواد فعال کننده‌ی سطحی، پوشش های سطحی پلیمری و مواد شیمیایی، انجام می شود (از طریق کنترل بار سطحی).
در مورد nZVI ها، ممانعت فضایی بوسیله‌ی یک چنین مولکول های پوششی، به میان کنش های دوقطبی و الکتریکی میان ذرات پاسخ می دهد و پایداری کلوییدی را افزایش می دهد. این مسئله وقتی حاصل می شود که وقتی یک مقدار مناسب از مواد پوششی یا ماده‌ی فعال کننده‌ی سطحی به صورت یک میسل کامل حضور داشته باشد. در نتیجه استفاده از مواد فعال کننده‌ی سطحی در تکنولوژی تزریق nZVI ها دارای محدودیت در کاربردهای محیطی است زیرا در تزریق این مواد، پراکندگی ذرات با جذب سریع مواد فعال کننده های سطحی در آب های زیرزمینی، متناسب است و این مسئله پایداری قبلی ذرات را از میان می برد.

چکیده:

رفتار ابر شبکه های پایدار، تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور( BCNTSLs) که از اتصال متناوب نانو تیوب های کربنی( CNT) و نانوتیوب های بور( BNT) با طول ها و قطرهای مختلف تولید شده اند، بوسیله ی محاسبات قوانین مقدماتی دانسیته، پیش بینی شده است. ساختار هندسی و الکتریکی و همچنین رسانایی کوانتمی این BCNTSL ها مورد مطالعه قرار گرفته است. این فهمیده شده است که ابرشبکه ها می توانند فلزی یا نیمه رسانا باشند. این موضوع به قطر نانوتیوب و نسبت بخش BNT به CNT در بخش تکرار شونده، بستگی دارد. حالات محدود شده در این ابر شبکه ها مشاهده شده است. مطالعات کنونی یک راه مفید برای طراحی برخی از وسایل نانویی عامل دار، ارائه کرده است.

مقدمه

نانوتیوب های کربنی( CNT) یکی از مواد جالب هستند. زیرا از زمان کشف آنها، کاربردهای باقوه ای در نسل جدید نانوالکترونیک به خود اختصاص داده اند. این مواد به دلیل نزدیک شدن وسایل میکروالکترونیکی به محدودیت تعیین شده بوسیله ی قانون موهر، بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. مطالعات نشان داده است که CNT ها می توانند خاصیت فلزی یا نیمه رسانا داشته باشند. این مسئله به قطر و کایرالیتی آنها بستگی دارد. با اتصال دو نانوتیوب کربنی کامل به همدیگر می توان یک ابر شبکه ایجاد نمود. این کار با ایجاد جفت های پنتاژن- هپتاژن در سطح مشترک این مواد، انجام می شود. با دنبال روی از این ایده، یک تعداد از ابر شبکه های CNT، اتصالات و نانووسایل تولید شده است. اخیرا همسایه نزدیک کربن در جدول تناوبی یعنی بور نیز توجه زیادی را به خود اختصاص داده است و برخی نانوساختارهای بر پایه ی فلرن های بور، صفحات بور، نانوتیوب های بور، و ... پیشنهاد شده اند. بررسی های دیگر نشان داده است که ساختار هندسی BNT ها می تواند از CNT ها مشتق شود این کار بوسیله ی استحاله ی پله پله ی اصلاح شده، انجام شود. یک چنین مشابهت ساختاری میان BNT ها و CNT ها، نشانه ای از این موضوع است که ساخت نانوتیوب های کربن- بور وجود دارد. این کار به طور بالقوه بوسیله ی اتصال متناوب CNT ها و BNT ها انجام می شود. این CNT ها و BNT ها می توانند دارای طول و قطر متفاوتی باشند.
در این مقاله، بر اساس محاسبات مقدماتی در زمینه ی دانسیته، ما روشی ارائه کرده ایم که بوسیله ی آن،CNT ها و BNT ها به هم متصل گشته و BCNTSL های پایدار ایجاد می شود. و بر اساس محاسبات هندسی، نوار انرژی و رسانایی کوانتمی، مطالعه بر روی خواص الکتریکی BCNTSL ها انجام شده است. نتایج نشان داده است که BCNTSLها می توانند فلزی یا نیمه رسانا باشند این مسئله به قطر و نسبت طولی بخش های BNT و CNT بستگی دارد. رسانایی کوانتمی اتصالات CNT-BNT-CNT نشان داده است که یک رفتار نوسانی در حول سطح فرمی رخ می دهد.

روش محاسباتی

تمام محاسبات با استفاده از تئوری اساسی دانسیته( DFT) و بوسیله ی کدهای SIESTA اجرا شده است. معیار حفظ پتانسیل کاذب با استفاده از روش Troullier-Martins ، ایجاد می شود. یک گروه مبنای پلاریزه شده DZP برای توصیف الکترون های والانس مورد استفاده قرار می گیرد. تقریب دانسیته ی محلی به شکل Perdew-Zunger برای تغییر پتانسیل همبسته مورد استفاده قرار می گیرد. انتگرال های عددی بر روی شبکه ی فضایی واقعی( با یک میان بر 200 برای ) اجرا می شود. این هندسه ها وقتی آزاد سازی می شوند که نیروهای پس مانده کمتر از باشد. فاصله ی بین دیواره ای بزرگتر از 10A بوده است تا بدین صورت اطمینان حاصل شود، سیستم ایزوله است. روش Monkhorst-Pack برای نمونه گیری نقطه ی Brillouin مورد استفاده قرار گرفته است. تنها نقطه ی گاما برای رهاسازی ابر شبکه مورد استفاده قرار گرفته است و یک نمونه گیری k نقطه ای با مش برای محاسبات ساختار الکترونی مورد استفاده قرار گرفته است. خواص انتقال با کدهای TRANSIESTA محاسبه شده است که در این کدگذاری از توابع غیر تعادلی Green( NEGF) استفاده شده است( بوسیله ی این توابع، سیستم باز از همیلتونی های DFT حل می شود).

ساختار هندسی

قبل از ادامه ی مقاله، باید برچسب های نانوتیوبی را تعریف کنیم. BNT معمولا بوسیله ی دو نوع از بردار کایرالیتی توصیف می شوند( یا بردار شبکه ی گرافنی (n,m) و یا بردار شبکه ی صفحه ی بور (p,q)). بواسطه ی MLT، رابطه ی میان این دو گروه از بردارها می تواند به صورت n=p+2q و m=p-q تعریف شود( این روابط مشابه با روابطی است که در مرجع 12 آورده شده است). برای سهولت، در ادامه ما بردار شبکه ی گرافنی(n,m) را به جای (p,q) در BNT ها انتخاب می کنیم. در این راه، یک BCBTSL می توان به آسانی بوسیله ی نشان داده شود که در اینجا، (n,m) بردار کایرالیتی تیوب می باشد و S(t) تعداد سلول های واحد BNT( CNT) در ابر سلول است. شکل 1 ساختار را به عنوان یک مثال در نظر می گیریم. علاوه بر این، بدون وارد شدن به جزئیات، ما بایستی BCNTSL هایی را مورد بررسی قرار دهیم که بوسیله ی تیوب های ایجاد شده در حالت صندلی، اتصال یافته اند. در اینجا، ما باید این مسئله را متذکر شویم که برخی از ابر شبکه هایی که بوسیله ی بخش های BNT و CNT زیگزاگ مانند به هم متصل شده اند، نیز مورد بررسی قرار گرفته است اما این ساختارها ناپایدارند.

خواص الکترونیکی

حال بیایید نحوه ی تأثیر اندازه ی قطر نانو تیوب ها بر روی خواص الکترونیکی آنها را مورد بررسی قرار دهیم. برای این هدف، ما نوارهای انرژی ، ، و را محاسبه کرده ایم( شکل 2). این مشاهده شده است که و نیمه رساناهایی با گاف های انرژی کمتر از 0.5 الکترون ولت هستند. به هر حال، وقتی قطر بزرگتر باشد، و فلز می شوند. برای روشن ساختن این موضوع، ما سپس نوارهای انرژی ابررساناهای بیشتری( مانند (n=3,4,…,9; t=1,2,…,7)) را محاسبه کردیم. این ابر شبکه ها دارای قطر و طول مختلفی هستند. نتایج نشان می دهد که برای تیوب های ایجاد شده از حالت صندلی، BCNTSL های با قطر کوچک نیمه رسانا هستند و برای قطرهای بزرگتر، فلزی می شوند. این مسئله به طور کمی با مشاهدات بدست آمده در BNT ها، تطابق دارد. در واقع وقتی BNT ها نیمه رسانا می شوند که قطر آنها کمتر از 17 A باشد. این در حالی است که اگر این قطر بزرگتر باشد، این مواد نیمه رسانا می شوند. این مسئله در مورد CNT ها کاملا متفاوت است. در واقع خواص الکترونی در CNT ها عمدتا به بردار کایرالیتی (n,m) وابسته هستند. وقتی (n,m) مضرب 3 باشد، این ماده فلزی است در غیر این صورت، این مواد نیمه رساناست. علاوه براین، ساختارهای الکتریکی BCNTSL ها دارای رفتارهای پیچیده ای نسبت به CNT ها و BNT های خالص هستند. BCNTSL وقتی نیمه رسانا هستند که قطر بخش BNT کوچکتر یا برابر با BNT(4,4) باشد(BNT(4,4) دارای قطری برابر با 6.5 A است). در غیر این صورت، BCNTSL ها فلزی هستند. ، ، و .
نسبت میان تعداد سلول های واحد BNT و CNT در یک واحد تکرار شونده از BCNTSL ها، می تواند همچنین بر روی ساختار الکترونی این ابر شبکه ها، اثر بگذارد. برای تعداد مختلف از سلول های واحد BNT و CNT در یک ابر شبکه، گاف انرژی به عنوان تابعی از تعداد سلول های واحد در یک بخش CNT با نام t (t=1,2,3,…,7)دارای نوسان 0.0 تا 0.6 eV می باشد( برای و ( شکل 3). علاو ه براین، B_2 (n,n) C_1 (n,n) برای n برابر با 3و4و5و6 با دو سلول واحد BNT و یک سلول واحد CNT در یک ابر شبکه، نیمه رساناست. برای B_2 (5,5) C_t (5,5) ، وقتی t=1 باشد، تیوب یک نیمه رساناست و وقتی t=2,3,4 باشد، تیوب ها فلزی می شوند. بنابراین، خواص الکترونیک BCNTSL ها می تواند بوسیله ی تغییر قطر تیوب و نسبت میان تعداد سلول های واحد BNT به سلول متناوب CNT، تنظیم می شود.
این مسئله جالب است که بدانید، نوسانات مشابه برای رسانای تفاضلی در طول محور محدود به نانوتیوب های تک دیواره نیز مشاهده شده است. مدل ذره ی داخل جعبه برای توصیف این رفتار پیشنهاد شده است. در اینجا یک رابطه ی ساده میان طول تیوب و طول موج موج در تیوب وجود دارد. نوسانات گاف نواری در CNT های تک دیواره ی محدود شده نیز با استفاده از روشی دیگر، تفسیر می شود. در این روش مکانیزم درگیر می تواند به فعل و انفعالات میان تقارن از بین رفته و شرایط مرزی نسبت داده شوند. این فعل وانفعالات ممکن است خواص الکترونیکی CNT های دارای طول محدود را تغییر دهند. برای مسئله ی BCNTSL، نوسانات گاف نواری ممکن است از فعل و انفعالات هندسه ی انتقالی از بین رفته، اثر سطح مشترک و اربیتال های مرزی، ناشی شوند.
برای یادگیری رفتار مدولاسیون ساختار الکترونیکی در این ابر شبکه ها، دانسیته ی حالات( DOS) محاسبه شده است( شکل 2). این می تواند مشاهده شود که اگر چه یک فلز است، گاف انرژی در زیر سطح فرمی قرار دارد. ممکن است کسی گمان کند که سطح فرمی در BCNTSL نسبت به BNT های خالص،شیفت پیدا کرده باشد. برای تأیید این موضوع، تجمع بار Mulliken مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج نشان داده است که تمام اتم های بور دارای بار منفی هستند، در حالی که تمام اتم های کربن دارای بار مثبت هستند. و این مسئله منجر می شود تا انتقال الکترون از اتم های کربن به اتم های بور انجام شود. به یاد آورید که یک BNT خالص با قطر کمتر از 17A نیمه رساناست بنابراین، اگر بخش BNT در ابر سلول طولانی تر باشد، خواص BCNTSL عمدتا متأثر از بخش CNT است. در یک ، تعداد یکسانی از الکترون های والانس برای اتم های کربن و بور وجود دارد، اما دانسیته ی حالات ایجاد شده( PDOS) برای اتم های بور بزرگتر از PDOS ایجاد شده برای اتم های کربن است. این مسئله نشاندهنده ی این است که یک چنین ابر شبکه های نانوتیوبی دارای حالت های محدود شده است هستند که ممکن است بوسیله ی غیر هموژن بودن نانوتیوب های بور و کربن، القا می شود. بر اساس این مشاهدات، می تواند BCNTSL های فلزی و نیمه رسانا را می توان طراحی کرد. اگر ما نسبت میان تعداد سلول های واحد BNT به تعداد سلول های واحد CNT را در یک واحد متناوب، افزایش دهیم، ابر شبکه تمایل دارد تا با توجه به خواص BNT خالص، به یک نیمه رسانا تبدیل شوند. با وجود این، استثناهایی هم وجود دارد. وقتی ابر شبکه ها بسط داده می شوند، زیر نوارها ممکن است در ساختارهای نواری ظاهر شوند. این مسئله می تواند گاف انرژی را کاهش دهد و موجب شود تا انرژی فرمی با برخی از نوارها تلاقی داشته باشد. این مسئله نشاندهنده ی رفتار فلزی است. برای مثال، یک فلز است اما یک نیمه رساناست.

رسانایی کوانتمی

حال بیایید رسانایی کوانتمی اتصال نانوتیوبی کربن- بور را مورد بررسی قرار دهیم. به عنوان یک مثال، ما یک چنین اتصالی را در نظر گرفته ایم که ناحیه ی مرکزی به هر طیف اتصال داده شده اند( این کار با استفاده از یک CNT(6,6) کامل نیمه محدود انجام شده است). نتیجه ی بدست آمده، نشان می دهد که رسانایی( G) ( که بوسیله ی احتمال انتقال و با توجه به فرمول Landauer- Buttiker تعیین شده است) در حوالی سطح فرمی، دارای نوسان است( شکل 4b). برای مقایسه، ما همچنین رسانایی CNT(6,6) خالص را در حدود سطح فرمی بدست آورده ایم. این مقدار برابر است با . همانطور که دیده می شود، هر دو نمودار کاملا متفاوت هستند و این نشان می دهد که اضافه نمودن بخش های BNT می تواند منجر به تغییر رسانایی کوانتمی شده، شود. این مسئله قبلا در CNT های خالص مشاهده شده است که دلیل بوجود آمدن آن، از بین رفتن تقارن و تفرق چندگانه در دو سطح مشترک، بیان شده بود. DOS در و CNT(6,6) خالص نیز بدست آمده است( شکل 4c) که این نتایج با نتایج حاصله از رسانایی تطابق دارد. خواص مشابهی نیز در اتصالات نانوتیوبی کربن- بور نیز مشاهده شده است .

خلاصه

ما این مسئله را گفتیم که با استفاده از محاسبات قوانین مقدماتی، ابر شبکه های نانوتیوبی کربن- بور پایدار، می تواند از طریق اتصال متناوب بخش های BNT به CNT تولید شوند. BCNTSL حاصله می تواند یک فلز یا نیمه رسانا باشد. این مسئله به قطر تیوب ها و نسبت میان تعداد سلول های واحد BNT به CNT بستگی دارد. تجمع بار Mulliken نشان داده است که الکترون ها در یک BCNTSL از اتم های کربن به اتم های بور انتقال می یابند. یک PDOS بزرگ بر روی بخش های BNT مشاهده شده است. این مسئله نشاندهنده ی این است که حالات محدود ممکن است در ابرشبکه وجود داشته باشند. رسانایی کوانتمی اتصال CNT-BNT-CNTدر سطح فرمی دارای نوساناتی است که این مسئله در CNT خالص، متفاوت است. یافته های کنونی نشان می دهد که با تنظیم قطر تیوب ها یا طول بخش های BNT و CNT می توان ابر شبکه های نانوتیوبی فلزی یا نیمه رسانا تولید کرد. این مواد ممکن است در برخی کاربردهای آینده مورد استفاده قرار گیرند.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

چندین سال پیش شرکت شیمیایی دوپنت (در آمریکا) اعلام کرد که امتیاز اختراع مواد جایگزین کلروفلوروکربن‌ها (CFC) را به ثبت رسانده است و به زودی تولید آن‌ها را آغاز خواهد کرد. کلروفلوروکربن‌ها موادی شیمیایی هستند که سبب تخریب لایه‌ی اوزون در جو زمین می‌شوند. ترکیب‌های جدیدی که این شرکت به آن دست یافته است می‌تواند راه حل مهمی باشد برای کاهش موقت آثار زیانبار کلروفلورو کربن‌ها، تا زمانی که دستگاه‌های سرد کننده‌ی جدیدی طراحی شوند که با فلوروکربن‌های بی‌ضرر برای لایه‌ی اوزون ـ مانند فلوروکربن a 134 ـ بتوانند کار کنند.
دستگاههای سردکننده‌ی جدیدی که به مواد سرمازای جدید کار می‌کنند بازار می‌آیند. شرکت ایتالیایی زانوسی مدل‌های جدیدی از یخچال‌های خانگی عرضه می‌کند که در آنها نصف مدل‌های قبلی CFC به کار برده می‌شود. این شرکت تصمیم دارد پس از دریافت نتایج آزمایس‌های انجام شده در ومرد میزان سمی بودن a134، در صورت تأیید، تولید یخچال‌هایی را که با این ماده‌ی سرمازا کار می‌کنند آغاز کند. شرکت زانوسی برای تولید این یخچال در مدت یک سال برنامه ریزی کرده است. اما برای مصرف کنندگان صنعتی CFC، تولید دستگاه‌ها و تجهیزات اصلاح شده برای کار با مواد جدید مدت بسیار بیشتری طول خواهد کشید و هزینه‌ی بسیار زیادتری نیز خواهد داشت.
شرکت دوپنت بزرگترین تولید کننده‌ی کلروفلوروکربن‌ها در دنیاست. اما طی موافقتنامه‌ای که به امضا رسید و به پروتکل مونترال معروف شد، قرار است که دیگر هیچ نوع CFC تولید و مصرف نشود. بنابزاین تعجبی ندارد که این شرکت از

پیشگامان تولید مواد بی‌ضرر جایگزین CFC باشد.

نخستین ترکیب (مخلوط) جایگزین، که شامل کلروفلورو کربن‌های 22، a152، و CFC جدیدی به نام 124 است، بویژه برای لوازم خانگی و دستگاه تهویه‌ی اتومبیل‌ها در نظر گرفته شده است. چون ساختن کارخانه‌های لازم برای تولید انبوه و اقتصادی CFC 124 تا 4 سال دیگر به طول خواهد انجامید، ممکن است شرکت دوپنت مجبور شود از یکی از CFCهایی که قرار است از رده خارج شوند، یعنی 114 به جای 124 در ترکیب‌های جدید استفاده کند تا بتواند هرچه زودتر این ترکیب‌ها را به بازار عرضه کند.
CFCهایی که قرار است تولید و مصرف آنها قدغن شود بسیار پایدارند و از این رو می‌توانند به استراتوسفر برسند، کلر آزاد کنند (که همین عامل از بین بردن اوزون است) و مدت‌های زیادی بدون تغییر در جو زمین باقی بمانند. جایگزین‌های ابداعی دوپنت، مخلوط‌هایی از CFCهایی هستند که پایداری کمتری دارند و میزان خسارت آنها به لایه‌ی اوزون فقط 3درصد CFCهای ممنوع شده است.
قرار است این مواد جایگزین کلروفلوروکربن‌های 11 و12، به عنوان ماده‌ی سرمازا، بشوند. اگرچه این جایگزین موقتی است و در آینده مواد کاملا بی‌ضرری باید به کار برده شود.
همزمان با این اقدامات، شرکت دوپنت در حال ساختن یک کارخانه‌ی 25 میلیون دلاری برای تولید فلوروکربن a134 است. ماده‌ای که کلر ندارد و آسیبی به لایه‌ی اوزون نمی‌رساند.
مواد سرمازا، مانند فرئون 11 و 12، بر اثر کاهش فشار تبخیر می‌شوند و گرمای محیط را جذب می‌کنند. در قسمت دیگری از دستگاخ‌های برودتی، یعنی در کنانسور، مقداری از گرمای ایم ماده گرفته می‌شود، و سپس در کمپرسوری که آن را متراکم می‌کند گرمای بیشتری از آن گرفته می‌شود. دست آخر، ماده‌ی سرمازای متراکم شده دوباره به سیستم خنک کننده یخچال باز می‌گردد. این چرخه به طور پیوسته در یخچال تکرار می‌شود.
ظرفیت گرمایی ماده‌ی سرمازا، و نتطه‌ی جوش آن در فشارهای مختلف، دو عامل تعیین کننده‌ی حجم و استحکام لوله‌ها و کمپرسوری است که باید در یخچال برای تولید سرمای مناسب به کار برد. برای مواد سرمازای جدید با خواص جدید، مانند a 134، معیارها تغییر می‌کنند. بنابراین شرکت‌های صنعتی و مصرف‌ کننده‌ها باید دستگاه‌ها و تجهیزات خود را تعویض کنند، چون از ماده‌ی سرمازای جدید در یخچال‌های قدیمی نمی‌توان استفاده کرد.
مخلوط‌های جدید دوپنت "ناهمجوش" (آزئوتروپ) هستند، یعنی خواص فیزیکی‌ای دارند که ترکیبی است از خواص اجزای تشکیل دهنده‌ی آنها. به همین دلیل این مخلوط‌ها را می‌توان طوری تنظیم کرد که خواص آنها مشابه CFCهای 11 و 12 (متداولترین مواد سرمازای مصرفی در یخچال‌های امروزی) باشند. اخیرا مخلوط‌هایی از سه کلروفلوروکربن یا فلوروکربن ساخته شده است که نقطه جوش آنها در فشارهای مختلف در حدود 25 درصد 12CFC است.
مشکل مخلوط‌های ناهمجوش این است که اجزای آنها در دماهای مختلف می‌جوشند، و بنابراین در هر دما و فشار معین در سیستم، ترکیب بخار روی مایع با ترکیب خود مایع تفاوت دارد. اگر بخار به بیرون نشت کند، اجزای تبخیر شده به مقداری بیشتر از اجزائی که هنوز به حالت مایع هستند از سیستم خارج می‌شوند. از لحاظ نظری این فرایند سبب تغییر ترکیب، و نیز تغییر خواص سرمازایی مایع سرمازا می‌شود.
اما متخصصان دوپنت می‌گویند که مخلوط‌های ابداعی آنها با مدل‌های نظری کمی تفاوت دارند. یکی از کارشناسان این شرکت می‌گوید که ترکیب شیمیایی مخلوط‌ها به آن اندازه‌ای که قوانین گازها پیش بینی می‌کنند تغییر نمی‌کند. در نتیجه خواص سرمازایی مخلوط‌ها، در مقایسه با 12CFC، تغییر چشمگیری نمی‌کند، حتی اگر مقدار نشت زیاد باشد.