فناوری نانو و خصوصیات منحصر به فرد در منسوجات

بسیاری از اکتشافات در علم و فناوری از طبیعت الهام گرفته شده است. محققان و مهندسان با جست و جو برای دست یابی به دانش و تجربیات نظری همواره در حال تلاش  هستند تا از فرایندهایی که در طبیعت اتفاق می افتد، الگو بگیرند. یکی از این فرایندها، وجود فناوری نانو در برگ های گیاهان است که آب را جذب نمی کنند، بلکه مواد غذایی را از یک بخش به بخش دیگر منتقل کرده و هوا و آب را در حضور نور خورشید(فتوسنتز) به مواد غذایی تبدیل می کنند. فناوری نانو تولیدکنندگان لباس را با ابعاد جدیدی از طراحی آشنا کرده است. از پوشاک تخصصی سبک وزن با پایداری بالا تا پوشاکی که در باران خیس نمی شوند، لباس های تکمیل شده با مواد نانوساختار در آینده بیشتر در زندگی ما قابل مشاهده خواهند بود. تولید پارچه کامپوزیتی با ذرات یا الیاف در اندازه نانو موجب بهبود خواص پارچه بدون افزایش قابل توجهی در وزن، ضخامت و یا سختی می شود. محققین و مهندسین با درک عمیقی از فعالیت مولکول های ماده در سطح نانو در حال تلاش برای توسعه بسیاری از فناوری ها در این حوزه ها هستند. در برخی از این پیشرفت ها از فناوری نانو برای ایجاد ویژگی های هیجان انگیز در منسوجات نانو استفاده می شود.

منسوجات نانو

منسوجات نانو کاربردی نوظهور و جالب از نانوفناوری است و شامل برخورد با نانوالیاف در سطوح اتمی و مولکولی به منظور اصلاح خواص آن ها است. این فناوری جدید می تواند منسوجات پیشرفته مانند پوشاک مقاوم در برابر آب و عاری از گرد و خاک، جوراب های کم بو و پوشاک هوشمندی را ایجاد کند که کنترل آب و هوایی انجام می دهند. تقاضای روزافزون برای پارچه های پیشرفته با ویژگی های خاص و راحتی استثنایی نیازمند استفاده از فناوری نانو در این صنعت است. شرکت های زیادی در حال استفاده از نانوافزودنی ها هستند تا ویژگی های سطح البسه را مانند مقاومت در برابر آب/ لکه، محافظت در برابر پرتو فرابنفش، مقاومت در برابر چین و چروک، دوام رنگی، بازدارندگی شعله و عملکرد حرارتی بهتر را بهبود بخشند. نانوذرات به طور فزاینده ای به عنوان پوشش هایی بر روی البسه مورد استفاده قرار می گیرند تا آن را ضدآب، ضدمیکروبی، بازدارنده پرتو فرابنفش یا آنتی استاتیک سازد. نانوذرات مسدود کننده نور خورشید می توانند به منسوجات افزوده شوند تا از پوست محافظت کنند. آن ها تابش فرابنفش را به طور موثرتری از ذرات بزرگ تر پراکنده می کنند. فهرست محصولات مصرفی بیش از ۱۶۰۰ محصول را که توسط تولیدکنندگان به عنوان حاوی نانوذرات فهرست شده اند، ثبت کرده است – ذرات بین یک و ۱۰۰ نانومتر(بین یک و ۱۰۰ میلیاردم متر). چندین نوع از نانوذرات به لباس هایی که ما می پوشیم افزوده می شوند، ازجمله: نقره میکروب کش. نانوذرات نقره به دلیل توانایی قدرتمند آن ها برای کشتن باکتری ها و قارچ ها و به منظور محافظت از بوی زننده ای که آن ها ایجاد می کنند، به البسه افزوده می شوند. ذرات نانونقره یون های با بار مثبتی را رها می کنند که موجب توقف عملکرد سلول های باکتریایی می شود. اندازه کوچک ذرات باعث می شود لباس نرم و قابل پوشش باقی بماند. در حال حاضر، البسه نانوفناوری عمدتا از پارچه های استاندارد تهیه شده اند که بر روی آن پوشش نانو اعمال شده است. اما در آینده احتمالا شاهد پارچه های بیشتر متشکل از نانوالیاف، نانوذرات و نانوفیلامنت ها به عنوان یک بخش کامل از بافت خواهیم بود. به عنوان مثال، عصر جدیدی از پارچه های هوشمند می توانند به طور خودکار به بدن و محیط اطراف ما پاسخ دهند. برخی از این ویژگی ها عبارتند از:
نانوذرات سیلیسی که در بافت پارچه ترکیب شوند یا بر سطح آن اسپری شوند، پوششی را ایجاد می کنند که دافع آب و مایعات ایجاد کننده لکه است. زاویه و زبری پوشش سیلیس کشش سطحی کافی را ایجاد می کند تا اطمینان حاصل شود که مایعات شکل کروی گرفته و به جای نفوذ به داخل آن، از سطح پارچه رها می شوند.
شیمیدان های سوئیسی یک نانومنسوج ضدآب ابداع کرده اند که مرطوب نمی شود. محققانی از دانشگاه زوریخ این پارچه را از الیاف پلی استر ایجاد کردند که با فیلامنت های سیلیکونی بسیار ریز پوشش داده شده است. آن ها هم چنین ادعا کردند که پارچه دافع آب ترین پوشاکی است که تا به امروز به وجود آمده است. قاعده ای که در پشت ضدآب بودن این پارچه است، این است که نانوفیلامنت های سیلیسی به پهنای ۴۰ نانومتر، در طبیعت به شدت آب گریز هستند. علاوه بر این، ساختار میخ مانند آن ها این شیمی سطح را بهبود بخشیده و یک پوشش محافظ بر روی پارچه ایجاد می کند که از ورود قطرات آب یا خیساندن لباس جلوگیری می کند. نانوساختاری این پوشش و خواص آب گریزی با هم این اثر ابر آب گریزی را در پارچه تولید می کند. پوشش، لایه نازکی از هوا را در پارچه به دام انداخته و به حفظ آب در سطح کمک می کند. این لایه به عنوان پلسترون شناخته شده و می تواند کشش را زمانی که داخل آب است کاهش دهد، که راهی برای کاربردهای جالب در البسه شنا فراهم می کند. به طور جالب توجهی، این ایده کاملا از سطوح دافع آب طبیعی مانند برگ های نیلوفر آبی الهام گرفته شده است، که دارای ترکیب مشابهی از نانوساختارهای کوچک و مواد آب گریز است. این پوشش بر روی پلی استر بسیار موثر است اما می تواند بر روی پشم و پنبه نیز اعمال شود. پوشش با استفاده از یک فرایند تک مرحله ای حاوی تراکم سیلیکون گازی بر الیاف و ظهور نانوفیلامنت ها ایجاد می شود. هم چنین مشخص شده است که این پوشش در مقایسه با دیگر پوشش های آب گریز بادوام بوده است.
نانوذرات دی اکسید تیتانیوم یا روی اکسید با منسوجات ترکیب می شوند تا لباس ما- و پوست ما- را از هرگونه آسیب نور خورشید محافظت کنند. هر دو ذره اشعه ماوراء بنفش نور خورشید را پراکنده کرده و به عنوان نانوذرات موثرتر از ذرات بزرگ تر عمل می کنند.
نانوذرات نقره در طبیعت ضدمیکروبی بوده و در حال حاضر به طور گسترده ای در البسه ورزشی برای از بین بردن بوی ناخوشایند عرق مورد استفاده قرار می گیرند.
برخی از پارچه ها- به خصوص مصنوعی ها مانند پلی استر و نایلون- تمایل به جمع آوری بار الکتریکی دارند. اما نانوذراتی که هادی الکتریسیته هستند، مانند زینک اکسید، تیتانیوم دی اکسید و آنتیموان دوپ شده در قلع اکسید می توانند این بار الکتریکی را پراکنده کنند.

مدیریت رطوبت و حرارت : با پوشیدن لباس هایی که در یک محلول نانوسیم نقره(AgNW) که به شدت عایق تشعشع است، غوطه ور و پوشش داده شده باشند، شخص ممکن است در زمستان بسیار گرم بماند که می تواند به میزان قابل توجهی نیاز به گرمایش خانه را کاهش داده و یا حتی آن را حذف کند. ایده جالب نانوفناورانه تبدیل البسه به سامانه های کنترل دما و رطوبت شخصی توسط یک دانشجوی MIT مطرح شده است. یک خط تولید کفش، ژاکت و کلاه ایمنی به نام ClimaWare توسط وی ابداع شده است که می تواند به عنوان ACs شخصی یا بخاری هایی با فشردن یک دکمه عمل کند. اساس این فناوری اثر Peltier است. زمانی که الکتریسیته از طریق دو فلز بهم متصل عبور می کند، یکی سرد و دیگری گرم خواهد شد. ژاکت ها دارای پیوست های رایانه مانندی هستند که برای لمس نقاطی طراحی شده اند که به صورت متراکم در رگ های خونی و جایی که عرق کردن کم اتفاق می افتد، وجود دارند. این نقاط برای کنترل دمای بدن بهترین هستند.  ClimaWare ممکن است در نوع خود اولین نباشد، اما این محصولات با وزن کم خود مشخص می شوند که موجب کاربرد آن ها در زمینه های دفاعی، مراقبت بهداشتی، ورزشی و دیگر کاربردهای کنترل شرایط جوی فردی می شود. در حال حاضر، این گروه محصولات نوآورانه در حال همکاری با ارتش در یک پروژه است تا سازوکاری را به منظور گرم/ سرد کردن در موشک ها توسعه دهد.
نانوعایق سبک وزن: توسعه نوع جدیدی از آِئروژل ها فرصت های جدیدی را برای البسه عایق به وجود آورده است. آئروژل برای چندین دهه به عنوان عایق در البسه فضایی مورد استفاده قرار گرفته است، اما شکنندگی آن موجب نامناسب بودن آن برای کاربردهای واقعی شده است. محققان به یک آئروژل مستحکم تر با تغییر ساختار آئروژل های سیلیکای معمول که شکننده و ضعیف هستند، دست یافته اند. آن ها از پلیمرهایی مانند پلی آمید که مستحکم و مقاوم در برابر حرارت هستند، استفاده کردند تا شبکه های سیلیس را در ساختار آروژل تقویت کنند. این پلیمرها اتصالات عرضی را در ساختار ایجاد می کنند که آن را بسیار مستحکم می کند. این کشف جدید می تواند یک پیشرفت در البسه عایق مانند پوشاک حرارتی باشد و هم چنین می تواند به عنوان دیواره های یخچال مورد استفاده قرار گیرد و به این ترتیب حوزه ذخیره سازی را افزایش داده و ضخامت دیواره را کاهش دهد. محققان معتقدند که قطعه ضخیمی از آروژل می تواند وزن یک ماشین را تحمل کند، در حالی که فیلم های منعطف و نازک آئروژل نیز چنین امکانی را دارند که موجب طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و تجاری می شود. آژانس های فضایی نیز در حال بررسی کاربرد این آروژل ها در نسل بعدی البسه فضانوردی عایق و هم چنین در ساخت یک پوشش گرمایی هستند که بتواند در جو نجومی متورم شود.

ایمنی

اگرچه این نانوالیاف ضدمیکروبی، مستحکم و هوشمند هستند، اما خطراتی را برای کاربر و محیط زیست نیز ایجاد می کنند. با این حال، تحقیقات در مورد خطرات بالقوه نانوذرات به اندازه تجاری سازی نانومواد پیشرفت نکرده است. محققان و مهندسان مطالعه کرده اند که آیا نانوذرات روی پارچه در طول پوشش خارج می شوند یا خیر. در حالی که رهایش ذرات از البسه تکمیل شده با تیتانیوم دی اکسید معلوم نشده است، نانونقره- که بیشترین نانوذره مورد استفاده در جهان است- هنگام عرق کردن از البسه جدا شده است. اگر نانونقره به طور گسترده در البسه مورد استفاده قرار گیرد، می تواند منجر به افزایش غلظت نقره در پساب کارخانجات تکمیل شود. محققان معتقدند این امر می تواند مشکلی را به وجود آورد چرا که نانونقره- و کلا نقره- به طور خاص برای انسان سمی نیست اما می تواند برای حیوانات آبزی بسیار سمی باشد. نانوذرات نقره در البسه می تواند موجب افزایش غلظت یون های نقره در پساب شود که لجن آن می تواند به عنوان کود در زمین های کشاورزی استفاده شود. این یون های سمی نقره می تواند باعث آسیب به اکوسیستم های خاکی در دراز مدت شود. آن ها حتی در غلظت های پایین نیز برای میکروب ها و موجودات آبزی مضر بوده و می توانند موجب تکامل باکتری های مقاوم در برابر آنتی بیوتیک شوند.

نانوالکترونیک های چاپ شده بر روی لباس

دستکاه های الکترونیکی معمول متشکل از مواد سیلیکونی سخت و شکننده اند که به لحاظ سازوکاری تمایل به ناسازگاری با زیرلایه های غیرفلزی و منعطف دارند؛ با این حال، آینده وسایل الکترونیکی منعطف و شفاف خواهد بود. تلفن های هوشمند آتی می توانند بر روی البسه چاپ شوند. گرافن و نانولوله های کربنی می توانند پلاسمون سطحی شدیدی را برای استفاده در نانوالکترونیک ها و درمان سرطان ایجاد کنند. مهندسین اولین اسپیسر(تقویت پلاسمون سطح با تابش تحریک شده اشعه) جهان را مدل سازی کرده اند که به طور کامل از کربن ساخته شده است. اسپیسرها مشابه لیزرها هستند، اما پلاسمون سطحی(نوسانات الکترونی منسجم) به جای فوتون ها تولید می کنند. طراحی اسپیسر مدل شده با استفاده از کربن مزایای بسیاری را ارائه می دهد. اسپیسرهای دیگری که تا به امروز طراحی شده اند، از نانوذرات طلا یا نقره و کوانتوم دات های نیمه هادی ساخته شده اند، در حالی که این دستگاه از یک مرتعش کننده گرافنی و یک عنصر تقویتی نانولوله کربنی تشکیل شده است. این مواد ۱۰۰ برابر مستحکم تر از فولاد بوده و می توانند گرما و الکتریسیته را بهتر از مس هدایت کرده و می توانند در دماهای بالاتر مقاومت کنند. به علت خواص مکانیکی، خواص الکتریکی و نوری برجسته آن ها، گرافن و نانولوله های کربنی می توانند در کاربردهای که ما نیاز به مواد مستحکم، سبک وزن، هادی و پایدار در برابر حرارت داریم، مورد استفاده قرار گیرند و به عنوان آنتن ها، هادی های الکتریکی و موجبرهای در مقیاس نانو آزمایش شوند. تحقیقات برای اولین بار نشان داده است که گرافن و نانولوله های کربنی می توانند اثر متقابل داشته و انرژی را به یکدیگر از طریق نور منتقل کنند. این اثرات متقابل نوری بسیار سریع و کارآمد به لحاظ انرژی بوده، بنابراین  برای کاربردهای الکترونیکی مناسب هستند. به دلیل این ویژگی ها، احتمال دارد که در آینده یک تلفن همراه بسیار نازک بتواند بر روی لباس چاپ شود. دستگاه های اسپیسری می توانند به عنوان جایگزینی برای دستگاه های ترانزیستوری مانند ریزپردازنده ها، مموری ها و صفحه نمایش ها برای غلبه بر محدودیت فعلی در کوچک سازی و پهنای باند استفاده شوند.

درمان سرطان

یک اسپیسر می تواند میدان های الکتریکی با شدت بالای متمرکز در فضای نانومقیاس تولید کند و این میدان ها بسیار مستحکم تر از آن هایی هستند که با استفاده از لیزر برای روشن کردن نانوذرات فلزی به منظور کاربردهایی چون درمان سرطان تولید می شوند. محققان در حال حاضر راه هایی برای هدایت نانوذرات نزدیک به سلول های سرطانی پیدا کرده اند. بنابراین ما می توانیم گرافن و نانولوله های کربنی را به دنبال این تکنیک ها حرکت دهیم، اما از میدان های بسیار متمرکز تولید شده از طریق پدیده اسپیسینگ استفاده می کنیم تا سلول های سرطانی تکی را بدون آسیب رساندن به سلول های سالم در بدن از بین ببریم. اسپیسرهای دیگری که تا به امروز طراحی شده اند، از نانوذرات طلا یا نقره و کوانتوم دات های نیمه هادی ساخته شده اند، در حالی که این دستگاه از یک مرتعش کننده گرافنی و یک عنصر تقویتی نانولوله کربنی تشکیل شده است، بنابراین به طور کامل از کربن ساخته شده است. این ساختار مستحکم، منعطف و قادر به عمل در دمای بالا و دوست دار محیط زیست و بدن انسان است.