کاربردهای گسترده نانوذرات خودترمیم‌شونده

مفید بودن مواد خودترمیم‌شونده (self-healing) دو سال پیش کشف شد و این ماده هنوز هم جامعه علمی را شیفته خود می‌کند. پژوهشگران از فناوری نانو برای افزایش کارایی مواد خودترمیم‌شونده استفاده می‌کنند. نانوذرات می‌توانند در سراسر مواد (مثلاً پلیمرها) پراکنده شوند، به شکاف‌ها نفوذ کنند و به ایجاد فرآیند خودترمیم‌شوندگی کمک نمایند. این مقاله کاربردهای گسترده نانوذرات خودترمیم‌شونده را مورد بحث قرار می‌دهد.

کاربردهای گسترده نانوذرات خودترمیم‌شونده

خصوصیات عمومی و مکانیسم نانوذرات خودترمیم‌شونده

اختلاط نانومواد و نانوساختارها در پلیمرها، گروه‌های عاملی غنی، مساحت سطح بزرگ و ویژگی‌های منحصر به فردی (رسانایی گرمایی یا الکتریکی و بیولوژیکی) ارائه می‌دهد که به فرآیند ترمیم کمک می‌کند.

نانوفناوری همچنین به درک برهمکنش‌های زنجیره اصلی پلیمر در مقیاس میکرو و نانو کمک می‌کند. این اطلاعات به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا پلیمرهای خودترمیم‌شونده پیشرفته با کاربردهای مختلف طراحی نمایند. برای مثال، دانشمندان با استفاده از اپوکسی، پلی‌اورتان، لاستیک‌ها و پلی (متیل متاکریلات)، یک نانوکامپوزیت نانولوله کربنی خودترمیم‌شونده ساخته‌اند.

اثربخشی یک فرآیند خودترمیم‌شوندگی به نوع، اندازه و شکل نانوذرات بستگی دارد. عوامل دیگری که کارایی نانولوله پلیمری/کربنی خودترمیم‌شونده به آن بستگی دارد عبارت است از؛

  • اصلاح ماتریس
  • کارکرد نانولوله‌ها
  • روش پردازش
  • برهمکنش یا سازگاری با ماتریس نانوفیلر

 

در سال ۲۰۰۶، دکتر توماس راسل از مرکز علوم و مهندسی مواد دانشگاه ماساچوست در امهرست، اظهار داشت این مواد می‌توانند هر گونه شکاف تشکیل‌شده در نتیجه حداقل تهاجم خارجی یا بدون آن را تعمیر نماید. نانوفیلرها همچنین می‌توانند خواص خودترمیم‌شوندگی را ارتقا دهند. برخی از نانوفیلرها که عموماً مورد استفاده قرار می‌گیرند، نانو-سیلیکا، گرافن، نانولوله‌های کربنی (CNT)، اکسیدهای سرامیک و نانوسلولز هستند.

پژوهشگران گزارش کرده‌اند که افزودن نانو-ویسکرهای (nano-whiskers) سلولزی باعث افزایش مقاومت کششی پلی‌وینیل الکل تا 60 برابر شده است. به طور مشابه، از نانوفیلرهای رسانا مانند گرافن و CNT ها با رسانایی گرمایی زیاد به عنوان گرمکن در مقیاس نانو استفاده می‌شود. بنابراین نانوذرات به منظور افزایش مکانیسم‌های خودترمیم‌شوندگی در ماتریس پلیمر به کار می‌روند.

 

کاربرد نانوذرات خودترمیم‌شونده

خودترمیم‌شوندگی آسیب‌های الکتریکی در پلیمرها

شبکه‌های الکتریکی (Electrical grid) نیازمند پلیمرهای بادوام، پایدار و قوی برای عایق‌بندی مناسب سیم‌ها هستند. میدان الکتریکی محلی بالا منجر به ایجاد درخت الکتریکی (electrical treeing) می‌شود که باعث آسیب ساختاری و تخریب رسانایی الکتریکی مواد دی‌الکتریک و نیز خرابی گسترده دستگاه می‌شود.

دانشمندان نشان داده‌اند که افزودن نانوذرات ابرپارامغناطیسی (کم‌تر از ۰.۱ درصد حجمی) به پلیمر ترموپلاستیک به ترمیم بخش‌های آسیب‌دیده ناشی از پدیده درخت الکتریکی کمک می‌کند. این اقدام همچنین از احیای ویژگی‌های عایق‌بندی اطمینان حاصل می‌کند. نانوذرات تحت نفوذ یک میدان مغناطیسی نوسانی، به سمت درختان الکتریکی حرکت کرده و دماهای محلی بالاتری را تولید می‌کنند. این امر نتیجه ترمیم کانال‌های درخت الکتریکی در پلیمر است. این روش همچنین باعث افزایش دوام کابل‌های برق برای کاربردهای الکترونیکی و انرژی می‌شود.

 

پیش‌گیری از ظهور مجدد سرطان پستان پس از عمل جراحی

هیدروژل اولین بار در سال ۱۹۶۰ گزارش شد. هیدروژل یک شبکه سه‌بعدی از پلیمرهای آب دوست دارای اتصال عرضی است که در آب متورم می‌شود. به دلیل وجود اتصال‌های عرضی فیزیکی و شیمیایی زنجیره‌های پلیمری جداگانه، هیدروژل می‌تواند مقدار زیادی آب را بدون ایجاد مزاحمت در ساختار در خود نگه دارد. هیدروژل ماده بسیار مهمی است، به خصوص برای درمان تومور و پزشکی ترمیمی. این امر به دلیل توانایی زیست‌تقلید (biomimetic) آن در تعدیل میکرومحیط بافت است.

دانشمندان با استفاده از اتصال شیف باز (Schiff base)، هیدروژل خودترمیم‌شونده جدیدی مبتنی بر نانوذرات گرافن ساخته‌اند. این هیدروژل خودترمیم‌شونده مبتنی بر نانوذرات گرافن از کندروئیتین سولفات مولتی‌آلدهید و گرافن مزدوج پلی‌اتیلن‌ایمین شاخه‌دار تشکیل شده است. هیدروژل خودترمیم‌شونده مبتنی بر نانوذرات گرافن ۱۰۰ درصد ویژگی خودترمیم‌شوندگی را نشان می‌دهد و خواص مکانیکی را بهبود می‌بخشد. یک مطالعه برون‌تنی (in vitro) در زمینه عود مجدد سرطان پستان پس از عمل جراحی در مدل‌های موش، توانایی هیدروژل خودترمیم‌شونده مبتنی بر نانوذرات گرافن را نشان داد.

 

باتری‌های خودترمیم‌شونده

باتری‌های قابل شارژ لیتیم-یون اغلب از یک الکترود منفی مبتنی بر کربن استفاده می‌کنند. این باتری‌ها در معرض تشکیل دندریت‌ها (dendrites) هستند. دندریت‌ها ساختارهای فلزی کوچکی هستند که بر روی یک الکترود توسعه یافته و به سمت دیگر رشد می‌کنند و ممکن است باعث اتصال کوتاه و یا حتی آتش‌سوزی شوند. اگرچه الکترودهای سیلیکون انرژی بیشتری را در واحد حجم فراهم می‌کنند، اما اغلب به دلیل انبساط و انقباض همراه با چرخه‌های شارژ از هم متلاشی می‌شوند.

پژوهشگران دانشگاه ایلینوی با استفاده از یک ماده رسانا جاسازی شده در میکروکپسول‌ها، یک الکترود خودترمیم‌شونده ایجاد کردند. انبساط الکترود سبب گسیختگی میکروکپسول‌ها و پراکندگی مواد پرکننده شکاف می‌شود.

 

نانوساختارهای DNA خودترمیم‌شونده

دانشمندان به تازگی نانوساختارهای DNA را طراحی کرده‌اند که دارای ویژگی‌های خودترمیم‌شوندگی هستند. این نانوساختارها را می‌توان برای دارو رسانی و تشخیص مورد استفاده قرار داد. با این حال، اولین چیزی که قبل از کاربرد نانوساختارهای DNA وجود دارد، توسعه یک استراتژی در برابر حملات نوکلئاز (nucleases)؛ یعنی یافتن راهی برای محافظت یا ترمیم مولکول‌های DNA آسیب‌دیده است.

نانوساختارها معمولاً طی مدت ۲۴ ساعت در سرم در دمای بدن از بین می‌روند. پژوهشگران استراتژی‌های مختلفی از قبیل نانولوله‌های-DNA را برای ایجاد ثبات در نانوساختارهای سرم ایجاد کرده‌اند. اضافه کردن قطعات کوچک‌تر DNA به سرم حاوی نانولوله‌ها می‌تواند ساختارهای آسیب‌دیده را ترمیم نماید.

 

حسگرهای زیستی خودترمیم‌شونده کامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن

حسگرهای الکترونیکی پوشیدنی دستگاه‌های قدرتمندی هستند که به تشخیص زودهنگام بیماری‌ها و پایش مداوم وضعیت سلامتی فرد کمک می‌کنند. با این حال، این دستگاه‌های سنجش پوشیدنی در تماس با بدن انسان، خراش‌ها و برش‌های مکانیکی اجتناب‌ناپذیری دریافت می‌کنند که منجر به عملکرد نادرست آنها می‌شود.

با استفاده از اثبات مفهومی، پژوهشگران توسعه یک حسگر مبتنی بر نانوذرات با ویژگی خودترمیم‌شوندگی را نشان دادند. آن‌ها گزارش دادند که اصلاح یک پلیمر با فیلم‌های نانوذرات طلای عامل دار، بازده‌ترمیم را در زیرلایه و فیلم‌های سنجش افزایش می‌دهد.