نقش فناوری نانو در حل چالش‌ جهانیِ آب

سه دهه تلاش در زمینه‌ی نانومواد باعث ارائه ی مجموعه متنوعی از نانومواد مهندسی شده  که داری ویژگی‌های منحصربه فردی هستند که با مواد بالک (حجیم) متفاوت است. از جمله این تفاوت‌ها می‌توان به واکنش‌پذیری زیاد، خواص سطحی قابل تنظیم و ساختارهای بهینه شده اشاره کرد.

از این ویژگی‌ها در بیوداروها، انرژی، کشاورزی، ارتباطات و کاربردهای آشکارسازها استفاده شده است اما فرایند تطبیق نانومواد برای کاربردهای تصفیه‌‌ی آب بسیار کندتر بوده است.

بخشی از این کندی به این علت است که مردم می‌خواهند مطمئن شوند که سیستم‌های جدید تصفیه‌ی آب باعث بهتر شدن منابع طبیعی، انسانی و بهبود سرمایه‌ی فیزیکی می‌شود و ریسک اینکه به علت استفاده از این سیستم‌ها این موارد رو به‌ وخامت برود وجود ندارد.

البته تنها برای افزایش سلامت انسان استفاده از نانومواد در سیستم‌های تصفیه‌ی آب با استفاده از مواد گران قیمتی که مردم قادر به استفاده از آن نیستند و یا با استفاده از فناوری‌ای که به صورت محلی نمی‌تواند به طور پایدار به کار گرفته شود و با توجه به پیامدهای زیست محیطی آن، با اهداف پایداری کلی در تضاد هستند.

از سوی دیگر شکست در استفاده از پیشرفت‌های نانومواد برای بهبود تصفیه‌ی آب، کاراتر کردن فرایندها، یا بهتر کردن انعطاف سیستم، منجر به عدم پذیرش نوآوری‌ها و سرمایه‌های علمی به عنوان راهی برای بهبود وضع عمومی بشر می‌شود.

غیرفعال شدن بیماری‌زاها برای تهیه‌ی آب سالم

وجود بیماری‌زاها در آب‌های آشامیدنی در سراسر دنیا و به ویژه در کشورهای در حال توسعه عامل اصلی بوجود آمدن بیماری‌های مزمن محسوب می‌شود.

تخمین زده می‌شود که سالانه بیش از دو میلیون نفر که عمدتا کودک هستند به علت مصرف آب‌های ناسالم که منجر به بیماری‌های قابل پیشگری اسهالی می‌شود جان خود را از دست می‌دهند.

ضدعفونی کردن آب، ضروری‌ترین مرحله در تصفیه و فراهم کردن آب آشامیدنی سالم به شمار می‌آید.

ضدعفونی کردن آب در حال حاضر در تجهیزات تصفیه‌ی آب شهری توسط ضدعفونی کننده‌های شیمیایی (مانند کلر و ازن) صورت می‌گیرد و یا از تابش اشعه‌ی ماوراء بنفش استفاده می‌شود.

از آنجا که هیچ راهی به تنهایی در مقابل تمام بیماری‌زاها کارگر نخواهد بود بیشتر فرایندها از رهیافت‌های چندگانه بهره می‌برند و از ویروس‌ها تا باکتری‌ها را هدف قرار می‌دهند.

عملیات‌های ضدعفونی کننده‌ی بزرگ‌مقیاس کنونی که در مراکز بزرگ تصفیه صورت می‌گیرد نیاز به زیرساخت‌های گسترده دارد و مواد شیمیایی و انرژی زیادی مصرف می‌کند.

به علاوه عملیات‌های ضدعفونی کننده‌ی کنونی معمولا با تشکیل مواد جانبی سمی همراه هستند، که این امر نیاز به فرایندهای بهینه‌سازی پیچیده و ساخت زیرساخت‌های بیشتر را به دنبال دارد.

نانومواد مهندسی شده با سازوکارهایی که در روش‌های سنتی به‌خوبی از آنها بهره‌برداری نمی‌شد، امکانات منحصر به فردی برای غیرفعال کردن بیماری‌زاها فراهم می‌کنند.

این سازوکارها شامل اختلال در دیواره‌ی سلولی توسط ساختارهای نانومقیاس، فرایندهای فعال کننده‌ی سطح که توسط برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک مهیا می‌شود، تولید فوتوشیمیایی گونه‌های اکسیژن واکنشی و رساندن هدف‌دار عامل‌های ضدعفونی کننده است.

این خصوصیات ویژه‌ی سطح و واکنش‌پذیری نانومواد که منجر به مهار بیوفیلم می‌شود یک راه تازه که تاکنون استفاده نشده را برای کاهش بیماری‌زاها در آب‌های آشامیدنی فراهم می‌کند، چرا که رشد مجدد میکروبی در آب‌های تصفیه‌شده در هنگام ذخیره و انتقال آب، یک نگرانی رایج است.

توانایی در نشان دادن این کارکردهای مختلف در مقیاس کوچک، برای استفاده در نواحی‌ای که از کمبود زیرساخت‌ها رنج می‌برند امیدوار کننده است.

برای ضدعفونی کردن آب، نانومواد مختلفی مورد بررسی قرار گرفته‌اند مانند نانو نقره، نانو اکسید روی، فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی مثل دی‌اکسید تیتانیوم و دی‌سولفید مولیبدن، و همچنین مواد بر پایه کربن مانند فولرین، نانولوله های کربنی، گرافن و مشتقات آنها.

بعضی از مواد، مانند اکسید روی و مشتقات فولرین که مکانیزم‌های غیرفعال‌سازی آنها شامل نفوذ به سلول‌ها و مختل کردن سلول‌های داخلی است به علت اینکه ممکن است نانومواد در آنها انباشته شده و وارد اکوسیستم شوند، ایده‌آل به حساب نمی‌آیند.

بقیه‌ی نانومواد عامل‌های زیست‌کش مانند یون‌های نقره را می‌شورند و بنابراین نیاز به دوباره پر کردن بعد از تخلیه دارند.

مکانیزم دقیق غیرفعال کردن بیماری‌زاها در نانوموادی که تاکنون بررسی شده‌اند نامعلوم مانده است. فهم مکانیزم غیرفعال کردن به این علت که ویژگی‌های نانومواد به علت اندازه، شکل و ویژگی‌های سطحی متفاوت با یکدیگرشان (حتی زمانی که اسمی مشابه دارند)، پیچیده است.

استراتژی‌های طراحی برای تولید نانوموادی با مکانیزم‌های غیرفعال کردن دلخواه را می‌توان از حیوانات، گیاهان و حشراتی که در برابر گستره‌ی بزرگی از میکروارگانیزم‌ها بواسطه‌ی استفاده از آرایه‌ای از نانوساختارها و مجموعه پپتیدهای ضد میکروبی جان سالم به در می‌برند آموخت.

به طور اخص این موضوع قابل اهمیت است که پپتیدها برای هدف قرار دادن غشاء‌های باکتریایی تکامل یافته‌اند و نه هدف قرار دادن اجزاء درون سلولی خاص، و این موضوع به علت همگنی ساختار دیوار سلولی و ترکیبات آن در باکتری است.

نانوموادی که گونه‌های اکسیژن غیرواکنشی غیرانتخابی تولید می‌کنند و عمکرد دیوار سلولی را به صورت شیمیایی و فیزیکی مختل می‌کنند  فرصت‌هایی فراهم می‌کنند تا فناوری‌های برپایه‌ی نانومواد برای کشتن بیماری‌زاهای غیرتخصصی بکار گرفته شود.

در هر صورت نسل آینده‌ی نانومواد بجای اینکه از یک نوع نانوماده برای هدفی خاص استفاده کنند باید به سمتی بروند تا از گونه‌های مختلف نانومواد با کارایی‌های متفاوت بهره ببرند .