علوم و فناوری نانو موجب تحول در علم مواد شده و توسعه‌ی گسترده‌ای از مواد جدید و بهبودیافته به‌وسیله نانو ساختارها را به دنبال داشته است. با کاهش ابعاد نانو مواد به پایین‌تر از طول بحرانی، رفتارهای کاملاً متفاوتی از آن‌ها مشاهده می‌شود. استفاده از خواص مواد در مقیاس نانو، امکان ساخت مواد و ابزار با کارایی و خواصی که دسترسی به آن‌ها قبلاً ممکن نبوده است را فراهم می‌سازد. این پیشرفت‌ها برای صنعت کاغذ و همچنین فناوری نانو در بسته بندی و چاپ می‌تواند از اهمیت حیاتی برخوردار باشد.
جایگاه فناوری نانو ذرات
هم‌اکنون فناوری نانو ذرات در حال تأثیرگذاری بر تعدادی از محصولات و خدمات، ازجمله صنعت کاغذ هستند. پیشرفت‌های اخیر موجب کاهش نیاز به مواد برای ساخت محصولات و افزایش کارایی سوخت در خودروها و هواپیماها شده است. همچنین کنترل ساختار مواد در مقیاس نانو در بهبود کارایی مواد مغناطیسی مورداستفاده قرار می‌گیرد و این روند موجب افزایش کارایی موتورها و ژنراتورهای الکتریکی خواهد شد.
دیگر انواع مواد، به‌خصوص آن‌هایی که در باتری‌ها و پیل‌های سوختی به کار می‌روند نیز به روش‌های مشابهی در حال بهبود و ترقی هستند و نتیجه‌ی این تلاش‌ها به‌صورت منابع تولید نیروی سبک و قابل‌حمل در تلفن‌های همراه، رایانه‌های کیفی و موارد دیگر دیده می‌شود. درزمینه‌ی کنترل خواص سطحی مواد در منسوجات، رنگ‌ها و پوششها نیز خواصی همچون قابلیت نفوذ هوا در مواد، ضدآب و ضد لک بودن لباس‌ها و فرش‌ها دیده می‌شود.
نانو ذرات، به علت سطح ویژه‌ی بسیار بالا کاتالیست‌های بسیار فعالی هستند و به‌منظور بهبود خواص و تنوع پلاستیک‌ها، مورداستفاده واقع‌شده‌اند. نیز در کلوئیدها و در صفحات خورشیدی، جوهر چاپگرها و رنگ‌ها مورداستفاده قرارگرفته‌اند.
ترکیب نانو مواد
ترکیب نانو مواد می‌تواند شامل هر عنصر طبیعی باشد که مهم‌ترین آن عبارت‌اند از:
سیلیکات‌ها، کاربیدها، نیتریدها، اکسیدها، بوریدها، سلنیدها، تلوریدها، سولفیدها، هالیدها، آلیاژها، فلزها و پلیمرهای آلی.
دایره شمول نانو مواد
نانو مواد شامل موارد زیر هستند:
– خوشه‌های اتمی (نقاط کوانتومی، ماکرو مولکول‌های معدنی، نقاط نانومتری)؛
– گلوله‌هایی با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر (مواد نانوبلوری، نانو فازی و نانو ساختاری)؛
– الیافی با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر (نانو میله‌ها، نانو صفحه‌ها، نانو لوله‌ها، نانو الیاف و سیم‌های کوانتومی)؛
– فیلم‌هایی با ضخامت کمتر از ۱۰۰ نانومتر؛
– نانو حفره‌ها؛
– نانو کامپوزیت‌ها.
برخی کاربردهای نانو مواد در صنعت کاغذ
نانو ساختارها در اشکال مختلفی ازجمله پوشش، پودر، کامپوزیت و دیگر شکل‌ها باعث ایجاد تحول در شماری از بخش‌های صنعتی ازجمله موارد زیر می‌شوند:
– پوششها و رنگ؛
– حفاظت در برابر خوردگی؛
– حفاظت زیست‌محیطی؛
– چسب و پلیمرهای رسانا؛
– دارورسانی؛
– مواد زیست سازگار؛
– حفاظ‌های کارکردی؛
– سطوح هوشمند خود تمیزکننده؛
– چاپ کارکردی؛
– مخابرات نوری؛
– جوهر و کاغذهای الکترونیکی؛
– منابع انرژی قابل‌حمل؛
– تصفیه آب؛
بیشتر بخوانید: تولید بسته بندی هوشمند مواد غذایی بر پایه نانو از سوی محققان ایرانی
کاربرد نانو مواد در مرکب‌سازی
پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانو، در حال ایجاد فرصت‌های جدیدی است که از سوی سازندگان و مصرف‌کنندگان جوهر موردتوجه قرارگرفته است تا با کمک آن خواص و کارایی جوهرها را افزایش دهند. به‌عنوان‌مثال BASF (بزرگ‌ترین شرکت صنایع شیمیایی جهان) تخمین می‌زند که در آتیه نزدیک، این دسته از محصولات فناوری نانو، ۱۰ درصد از فروش اخیرشان را شامل شود. یکی از محصولات فناوری نانو در این عرصه، رنگ‌دانه‌های نانومتری است که شامل دی‌اکسید تیتانیوم است و ظرفیت بالایی در جذب نور دارد.
هم‌اکنون محققان در تلاش‌اند تا با استفاده از نانو مواد و بدون استفاده از رنگ‌دانه‌های متعارف، به رنگ‌های متفاوت دست یابند. این رنگ‌ها که با توزیع نانو ذرات هم‌اندازه ایجاد می‌شوند، درست به همان شکلی که رنگ بخش‌های مختلف بال پروانه‌ها با هم تفاوت می‌کند، هستند.
همچنین محققان درحال‌توسعه‌ی پلیمرهای چند شاخه (hyperbranched) از پلی‌یورتان‌ها هستند تا از این طریق مشکلات چاپگرهای استفاده‌کننده از سیستم‌های جوهر متفاوت برای چاپ بر روی پلیمرهای قطبی، مثل پلی‌استر و پلی‌امید، نیز پلاستیک‌های غیر قطبی مثل پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن را حل نمایند. تعداد بسیار فراوان از گروه‌های عاملی بر روی پلیمرهای چند شاخه، گروه‌های پیوندی کافی برای اتصال جوهر به نقاط چسبنده بر سطح پلیمر را ایجاد می‌کنند.
چاپگرهای جوهرافشان، زمینه‌ی دیگری برای کاربرد فناوری نانو ذرات هستند. برای مثال، شرکت دیگوسا (Degussa) از فناوری نانو ذرات خود به‌منظور توسعه‌ی محدوده‌ای از رنگ‌دانه‌های کوچک استفاده کرده است تا پایداری رنگ بر روی سطوح را افزایش دهد. چندی پیش شرکت بزرگ Nano Products در آمریکا نیز خبر از راه‌اندازی خطوط تولید جدید با استفاده از نانو ذرات ™PureNano به‌عنوان جوهر را داده است. ترکیبات، رنگ‌دانه‌ها و پوشش‌های دی‌الکتریک، هادی و مغناطیسی، نمونه‌هایی از جوهر و فازهای پراکنده‌ی نانومتری هستند.
سیستم های نگهداری
صنعت کاغذ، سال‌های زیادی است که از اصول علوم و فناوری نانو به‌ویژه درزمینه‌ی شیمی تَر، برای توسعه‌ی سیستم‌های نگهداری بهره گرفته است. یک سیستم نانوذره‌ی اولیه (که هنوز هم مورداستفاده قرار می‌گیرد) یک نانوذره‌ی آنیونی (سیلیکای کلوئیدی) و نشاسته‌ی کاتیونی را با هم ترکیب می‌کرد.
نسل بعدی این سیستم که در سال ۱۹۹۲ به وجود آمد شامل ذرات سیلیکای ساختاری با طراحی خاص است که به‌منظور ترکیب با پلی اکریلامید کاتیونی (C-PAM) سنتزی به وجود آمده‌اند و مشخص‌شده است که ساختار بسیار مرتب این نانو ذرات موجب واکنش بسیار بهتر آن‌ها با C-PAM می‌شود. کره‌های سیلیکا در نانوذره‌ی ساختاری، پیوندهای کووالانسی بسیار قوی سیلوکسان را به وجود می‌آورند که تنش‌های ماشین نمی‌توانند به‌راحتی آن‌ها را بشکنند.
در سال ۲۰۰۰ شرکت Eka Chemicals سیستم Compozil Select را ارائه کرد، که یک سیستم نانوذره‌ای مبتنی بر مولکول‌های کلوئیدی سیلیکای آنیونی و ترکیبات پلیمری کاتیونی مثل صمغ، گوار، پلی‌اکریلامیدها، نشاسته کاتیونی و آشغال‌گیرهای آنیونی است. مولکول‌های بسیار کوچک، سطح ویژه و دانسیته‌ی بار بسیار بالایی ایجاد می‌کنند. این خواص کلیدی موجب بهبود لخته شدن و بهبود سیستم نگه‌دارنده می‌شوند.
پوششها
پوششها یکی از نانو مواد بسیار مهم هستند که در موارد بسیاری، از پوشش‌های مقاوم نسبت به خش در شیشه‌ها گرفته تا وسایل خود تمیز کن، کاربرد دارند. یک نمونه از این موارد، پوشش کامپوزیت نانو سرامیکی از جنس آلومینا و تیتانیا با نام تجاری Nanox2613 است که شرکت Inframat آن را ساخته است.
دوام این نانو سرامیک آلومینا-تیتانیا در مقایسه با مشابه سرامیکی، بین چهار تا شش برابر است و درعین‌حال، فاکتور سختی آن نیز دو برابر بیشتر از نوع غیر نانومتری است. علی‌رغم قیمت بالای این محصول (۳۰ تا ۵۰ دلار به ازای هر پوند) استفاده از آن ازنظر اقتصادی به‌صرفه است.
به‌عنوان‌مثال، نیروی دریایی آمریکا اکنون با استفاده از پوشش نانو ساختاری در موارد زیادی ازجمله شیرهای ورود و خروج هوا در زیردریایی‌ها، حدود ۴۰۰ هزار دلار در هر کشتی و به‌طور تقریبی ۲۰ میلیون دلار در ده سال آینده صرفه‌جویی خواهد کرد.
Nanox به‌عنوان یکی از پوشش‌های مناسب برای تانک‌های شنی، شفت‌های پریسکوپ، شیرها و بسیاری از ادوات مورداستفاده در محیط‌های دریایی ارزیابی می‌شود. یکی از شرکت‌های معدنی که نیکل و کبالت را از سنگ‌های معدنی به دست می‌آورد، از پوشش Nanox در شیرهای موسوم به ball valve استفاده کرده است. چنین شیرهایی باید در مقابل عبور دوغابی از سنگ‌ریزه در محیط بسیار اسیدی و فشار بالا مقاومت کنند. شیرهای معمولی در چنین شرایطی فقط چند ساعت پس از جلادهی دوام می‌آورند، درحالی‌که دوره‌ی کار شیرهای پوشش‌دار به دو روز می‌رسد.
Nanox در صنعت خودروسازی نیز در مواردی همچون سیستم اگزوز مورد آزمایش قرارگرفته است. شرکت‌های نفت و گاز نیز در حال ارزیابی این پوشش برای پمپ‌های چرخشی هستند. دیگر کاربردهای پیشنهادشده برای Nanox، صنایع چاپ و کاغذسازی است.
استفاده از فناوری نانو در بسته بندی مواد غذایی
با توجه به افزایش جمعیت و ضرورت حفظ منابع برای نسل‌های آینده، در سال‌های اخیر استفاده از راهکارهای جدید بسته بندی مواد غذایی موردتوجه پژوهشگران قرارگرفته است.
نانو فناوری یکی از این راهکارها است که می‌تواند در بهبود بسته بندی و قابلیت‌های آن‌ها نقش مهمی داشته باشد، اما هم‌زمان با افزایش تأثیر فناوری نانو بر صنایع غذایی و ورود این محصولات به بازار مصرف، اهمیت سلامت و ایمنی این گروه از مواد غذایی بیش‌ازپیش موردتوجه قرارگرفته است. اطمینان از سلامت و امنیت غذاهای بسته بندی شده به کمک فناوری نانو موضوعی است که موجب شده گروهی نسبت به استفاده از این ترکیبات در بسته بندی ها دچار تردید شوند.
به گفته متخصصان، بسته بندی مواد غذایی از دو دیدگاه قابل‌توجه است؛ نخست این‌که بسته بندی ازجمله عوامل مهمی است که می‌تواند ماندگاری محصولات و فرآورده‌های غذایی را کنترل کند و موضوع دیگری که باید موردتوجه قرار گیرد (و بسیاری از کشورها در سطح دنیا در این مسیر فعالیت‌های موفقی داشته‌اند و لازم است کشور ما هم در این حوزه به‌طورجدی وارد عمل شود) این است که بسته بندی هایی که از آن‌ها در صنایع غذایی استفاده می‌شود باید سازگار با محیط‌زیست باشند.
یکی از مشکلاتی که ما در دنیای امروز با آن مواجه هستیم انباشتگی انواع پلیمرهایی است که به‌راحتی در طبیعت تجزیه نمی‌شوند و درنتیجه موجب آلودگی طبیعت شده‌اند؛ پلیمرهایی که عمدتاً به‌منظور بسته بندی نوشیدنی‌ها و خوردنی‌های دنیای مدرن ما تولیدشده‌اند.
سلامت مواد غذایی در کنار سلامت مصرف‌کنندگان
به عقیده کارشناسان حوزه صنایع غذایی، در دیدگاه نخست، بسته بندی به‌عنوان راهکاری برای افزایش ماندگاری مواد غذایی مطرح است و می‌توان از روش‌های مختلفی برای رسیدن به این هدف استفاده کرد.
دکتر بهاره عماد زاده، مدیر گروه نانو فناوری مواد غذایی پژوهشکده علوم و صنایع غذایی در گفت‌وگو با جام جم می‌گوید: یکی از روش‌هایی که در بسیاری از کشورها موردتوجه قرارگرفته و متأسفانه در کشور ما در سطح تحقیقات باقی‌مانده، استفاده از قابلیت‌های نانو فناوری است. ما می‌توانیم بر اساس این فناوری شناساگرهایی را طراحی کنیم که ماندگاری محصولات غذایی را پایش می‌کنند.
عملکرد این شناساگرها به این شکل است که به‌عنوان‌مثال شاخص‌های رنگی روی آن‌ها تعبیه‌شده که با گذشت زمان تغییر رنگ می‌دهند. اکنون این شاخص‌ها یا شناساگرها بدون به‌کارگیری فناوری نانو تولید می‌شوند. بررسی‌ها و آزمایش‌های انجام‌شده نشان می‌دهد استفاده از فناوری نانو می‌تواند حساسیت این شاخص‌ها را به میزان قابل‌توجهی افزایش دهد.
نانو ذرات از یک ساختار اختصاصی برخوردارند و این ساختار می‌تواند حساسیت شناساگرها را در پایش ماندگاری مواد غذایی افزایش دهد. گذشته از این مواد نانو و محصولات تولیدشده از نانو مواد با توجه به خواص منحصربه‌فردی که دارند می‌توانند در کنترل خواص بازدارنده بسته بندی ها به ایفای نقش پرداخته و گازهای ورودی به بسته بندی مواد غذایی را تحت کنترل قرار دهند.
ما در ایران ازنظر بسته بندی مواد غذایی نتوانسته‌ایم همگام با بخش‌های دیگر فناوری پیشرفت داشته باشیم؛ یعنی در خیلی از فناوری‌های مطرح در حوزه علوم و صنایع غذایی، قدم‌های خوبی برداشته‌شده و پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌ایم اما یکی از بخش‌هایی که مغفول مانده و نسبت به آن توجه ویژه‌ای ازنظر صنعتی نشده، بسته بندی و فناوری‌هایی است که می‌توان در این حوزه از آن‌ها استفاده کرد.
گرچه ایمنی محیط‌زیست و استفاده از مواد سازگار با محیط‌زیست در بسته بندی مواد غذایی ضرورت مهمی است اما این روند باید تا جایی ادامه پیدا کند که به مصرف‌کنندگان هم آسیبی نرسد. از سوی دیگر باید از این موضوع هم اطمینان پیدا کرد که بقایای ترکیبات نانو که وارد پساب‌ها می‌شود سلامت انسان و محیط‌زیست را در معرض خطر قرار ندهد.
این‌ها از موضوعاتی است که در این حوزه بحث‌برانگیز شده است. دکتر عماد زاده دراین‌باره معتقد است: هر علمی از دو جنبه باید بررسی شود؛ هم ازنظر نقشی که در سلامت جامعه دارد و هم ازنظر خطراتی که ممکن است با خود به همراه بیاورد. در هر علمی ابتدا جنبه‌های مثبت بیشتر خودش را نشان می‌دهد و با گذشت زمان و در مطالعات و تحقیقات، جنبه‌های منفی هم کم‌کم خودنمایی می‌کنند.
بسته بندی می‌تواند به شکل پوششی باشد که در تماس مستقیم با محصول قرار می‌گیرد. گاهی نیز بسته بندی ها به‌طور مستقیم با محصول در تماس نیستند. در رابطه با محصولات غذایی که در بسته بندی آن‌ها از فناوری نانو استفاده‌شده است دیدگاه مخاطره‌آمیزی وجود دارد، اما در خصوص این‌که حضور این ترکیبات در طبیعت چه آثار مضری بر محیط‌زیست دارد، موضوعی است که در خصوص آن باید حتماً مطالعاتی عمیق انجام شود.
بسته بندی های فعال
کشور ما درزمینه‌ی بسته‌بندی، پیشرفت چندانی نکرده و اگر کاری در این زمینه انجام شده صرفاً به مقالاتی آکادمیک محدود می‌شده است. یکی از کارهایی که به‌تازگی در پژوهشکده علوم و صنایع غذایی موردتوجه قرارگرفته نوع خاصی از بسته‌بندی است که صفت «فعال» را یدک می‌کشد.
بسته‌بندی هوشمند نوع پیشرفته‌تری از بسته‌بندی‌های فعال به شمار می‌آید. تحقیقات انجام‌شده درباره بسته‌بندی‌هایی با این ویژگی قدمت چندانی ندارد اما باوجوداین، پیشرفت‌های قابل‌توجهی در این حوزه انجام‌شده و هم‌اکنون انواع مختلفی از بسته‌بندی‌های فعال در بعضی از کشورها ازجمله آمریکا و ژاپن تجاری‌سازی شده است.
به گفته دکتر راضیه نیازمند، عضو هیئت‌علمی گروه شیمی مواد غذایی پژوهشکده علوم و صنایع غذایی و مجری طرح بسته‌بندی‌های فعال، در این پژوهشکده تحقیقاتی درباره نوع خاصی از بسته‌بندی‌های فعال که گیرنده اکسیژن هستند، انجام‌شده است.
در این بسته‌بندی از یک ماده زیست فعال استفاده می‌شود که به‌جای تماس مستقیم با ماده یا فرآورده غذایی، در داخل بسته‌بندی قرار می‌گیرد و عملکردی که از آن انتظار می‌رود را داخل بسته‌بندی ایفا می‌کند. معمولاً هدف عمده این بسته‌بندی‌ها این است که زمان ماندگاری ماده غذایی را افزایش دهند و نکته قابل‌توجه این است که این ترکیب وارد بسته‌بندی می‌شود و ممکن است به‌مرورزمان رهاشده و وارد فرآورده غذایی شود؛ بنابراین باید این ماده ازنظر صنایع غذایی ایمن باشد و مشکلی ایجاد نکند.
این گروه از محققان در بسته‌بندی‌های فعال از نمک اسکوربات استفاده کرده‌اند که نوعی ویتامین C است. ضمن این‌که این نمک یک ترکیب آنتی‌اکسیدان و گیرنده اکسیژن است. اگر این ماده در بسته‌بندی رها شده و حتی مقدار زیادی از آن وارد ماده غذایی شود، مشکلی ایجاد نمی‌کند. البته ازنظر فناوری باید کار تا نیمه‌صنعتی و صنعتی شدن پیش رود، اما مزیت این روش بی‌خطر بودن است که متأسفانه هنوز در ایران کار زیادی روی آن انجام‌نشده است. خیلی از ترکیبات در ابعاد نانو خطرساز می‌شوند چون نانو بر اساس ویژگی‌های متفاوتی از مواد در ابعاد کوچک‌تر تعریف‌شده است.
دکتر نیازمند در پاسخ به این پرسش که آیا درباره ایمنی نمک اسکوربات در ابعاد نانو تحقیقاتی انجام‌شده، می‌گوید: ما به‌طورکلی روی این ترکیب در ابعاد نانو تحقیقاتی را انجام داده‌ایم. استفاده از مواد در ابعاد نانو یکنواختی کار را افزایش می‌دهد.
دکتر نیازمند در ادامه تصریح کرد: خیلی از ذرات در این ابعاد مشکل‌ساز است اما نمک اسکوربات ترکیبی است که در ابعاد نانو هم ایمن است و حتی ممکن است این ترکیب در چنین مقیاسی در خود ماده غذایی وجود داشته باشد. بعضی از ترکیباتی که در حوزه نانو فناوری از آن استفاده می‌شود ممکن است ایمن نباشند. ما قصد داریم در کارهای بعدی از آنتی‌اکسیدان‌ها و عصاره‌های دیگری استفاده کنیم که خواص مختلف دارویی دارند. ورود این ترکیبات به بسته‌بندی موجب می‌شود بسته‌بندی حالت فعال پیدا کند و عملکرد خاصی را از خود نشان دهد. از این بسته‌بندی می‌توان برای طیف وسیعی از فرآورده‌ها استفاده کرد.
گروهی از محققان بر این باورند که ایمنی نانو مواد تائید شده نیست و می‌تواند به‌سلامت انسان و جامعه آسیب برساند. گروهی دیگر نیز می‌گویند باید برای همگام بودن با دیگر کشورها در این مسیر حرکت کرده و موانع موجود را رفع کرد. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد در آینده‌ای نزدیک روزی می‌رسد که بتوانیم از ترکیبات اتمی و مولکولی، مواد غذایی موردنیازمان را تهیه کنیم.
گرچه برای استفاده کاربردی از این فناوری راهی طولانی در پیش است اما انتظار می‌رود این پیشرفت بتواند به مسیری برای گسترش تولید محصولات غذایی باکیفیت‌تر و ماندگارتر منتهی شود که به‌این‌ترتیب نه‌تنها می‌توانیم از مواد غذایی باکیفیت‌تر استفاده کنیم، بلکه در مصرف مواد خام هم صرفه‌جویی خواهد شد.
