متن مقاله / گزارش

اهمیت بهره مندی از روش‌های اندازه‌گیری قابل اعتماد در تجاری‌سازی نانومحصولات (بخش اول)

تاریخ : 1394/12/24 تعداد بازدید : 2014 دسته بندی : استانداردسازی


در حال حاضر، کاربردهای فناوری‌ نانو روز به روز در حال افزایش بوده به طوری که این فناوری در حوزه‌های مختلف از علوم کامپیوتر تا انرژی، سلامت و غذا در حال گسترش است. براساس گزارشی با عنوان «پروژه‌ای تحقیقاتی روی نانوفناوری‌های نوظهور» که در سال 2011 منتشر شده‌است، تا این زمان، نانوذرات و نانومواد در بیش از 1300 محصول تجاری مورد استفاده قرار گرفته است.
هر چند بازار فناوری‌ نانو بین 500 تا 3500 میلیارد یور در سال 2015 برآورد شده‌است اما متخصصان این حوزه معتقداند که سرعت رشد این فناوری در حال کاهش است و دلیل این امر، فقدان ابزارها و تجهیزات مترولوژی در مقیاس نانومتری است. بنابراین، محققان صنایع مختلف علاقه‌مند به حوزه نانومترولوژی شده‌اند. در نانومترولوژی، روش‌ها و دستگاه‌ها برای رصد فرآیند تولید و بهبود کیفیت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مطالعات زیادی درباره خطرات نانوذرات صورت گرفته است و در حال حاضر گزارش‌های متعددی منتشر شده که در آن این سوال مطرح شده‌است که آیا دولت‌ها باید روی نانومحصولات نظارت داشته و قوانینی برای آن وضع کنند یا خیر؟ در حال حاضر به دلیل کمبود ابزارها و روش‌های استاندارد، اندازه‌گیری و مطالعه این نانومحصولات با دشواری‌هایی روبرو است و همین امر موجب شده تا تحقیقات مختلف در این باره به نتایج متناقضی برسد.
برای رفع این مشکل، محققان پژوهش‌های مختلفی انجام داده‌اند تا دستگاه‌ها و روش‌های مختلف را برای اندازه‌گیری در مقیاس نانومتری اعتبارسنجی کنند. از آنجایی که مترولوژی در مقیاس نانومتری نیاز به مهارت‌های مختلفی دارد، محققان چهار جنبه مختلف را برای این کار در نظر گرفته‌اند: اندازه‌گیری فیزیکی و شیمیایی نانوذرات در آئروژل‌ها، اندازه‌گیری ابعادی نانومواد و اندازه‌گیری خواص منطقه‌ای مواد در مقیاس نانومتری.
این جنبه‌های مختلف مترولوژی نانومقیاس منجر به تعریف پروژه‌های ذیل شده‌است:
1‌ توسعه دستگاه 2) توسعه پروتکل‌های مرجع 3) توسعه نرم‌افزار پردازش داده‌ها
این تحقیقات با هدف برقراری قابلیت ردیابی اندازه گیری ها در مقیاس نانو به سیستم اندازه گیری بین المللی SI و برآورد قابل اطمینان از عدم قطعیت اندازه گیری، انجام می گیرد.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5

زنجیره قابلیت ردیابی به استاندارد بین المللی متر


نانومواد و چرخه عمر:
کار در حوزه نانومترولوژی موجب می‌شود تا تولیدکنندگان به روش‌ها و ابزارهای مناسب برای اندازه‌گیری دست پیدا کنند. استفاده از این فرآیندها در حوزه¬های مختلفی مانند الکترونیک و آرایشی بهداشتی منجر به اندازه‌گیری‌های دقیقی می‌شود که امکان انجام کنترل کیفی را فراهم می‌کند. همچنین تاثیر نانوذرات روی سلامت انسان نیز بهتر انجام می‌شود.
محققان مرکز مترولوژی و تعیین مشخصات نانومواد (CARMEN) از سال 2010 اقدام به انجام مطالعاتی برای ارائه راهکارهایی برای صنعت و دانشگاه در بخش اندازه‌گیری نانومواد (اندازه، شکل، ترکیب شیمیایی، تجمع، بار سطحی و مساحت سطحی) کردند. در این مرکز که در فرانسه منحصر به فرد است، محققان مواد مرجع ملی مترولوژی برای تعیین مشخصات نانومواد را تولید می‌کنند. این مواد در اتاق تمیز با محیط کنترل شده (دما، رطوبت، لرزش و غیره) نگهداری می‌شوند. تمام ادوات مورد نیاز برای مشخصه‌یابی نانومواد (نظیر AFM، SEM، BET،XRD و پتانسیومتری زتا) وجود داشته و همچنین ادوات آماده‌سازی نمونه (نظیر میکروسکوپ نوری، اولتراسونیک، وورتکس، تیتراتور، سانتریفیوژ و اسپین‌کوتر ) در این مرکز وجود دارد. علاوه براین، یک میکروسکوپ نیروی اتمی ویژه برای مطالعات مترولوژی در این مرکز وجود دارد. یکی از ویژگی‌های این مرکز آن است که این ادوات در اتاق‌های تمیز قرار داده شده‌اند بنابراین، خطر آلودگی نمونه به حداقل می‌رسد.
هدف این مرکز، ارائه روش‌های آماده‌سازی و پروتکل‌های اندازه‌گیری قابل اعتماد برای حوزه مترولوژی است. هر اندازه‌گیری با یک عدم قطعیت همراه است که به کاربر اجازه می‌دهد تا با سطح اطمینان بهینه به کار مشخصه‌یابی در حوزه فناوری‌ نانو بپردازد. با وجود این ابزارها و روش‌ها می‌توان به ارزیابی خطرات و سمیت نانومواد پرداخت.
به مدد وجود این مرکز، محققان می‌توانند به نیاز آزمایشگاه‌ها و تولید کنندگان در مسیر برآورده‌سازی تقاضای دولت پاسخ دهند. دولت‌ها برای استفاده از نانومواد قوانینی وضع می‌کنند که باید اندازه‌گیری‌های معتبر برای سنجش میزان پیروی از این قوانین انجام شود.‌
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
در فرانسه، صنایع، آزمایشگاه‌ها و مؤسسه‌های تحقیقاتی مختلفی وجود دارد که در آن از میکروسکوپ پیمایشی روبشی استفاده می‌شود و این ابزارها باید به‌صورت دوره‌ای کالیبره شوند. برای کالیبره کردن واحد طول از مواد مرجع به‌صورت شبکه‌های یک و دو‌بعدی استفاده می‌شود که این نمونه استاندارد در مؤسسه ملی مترولوژی صحه‌گذاری شده‌است. در سال 2007، میکروسکوپ AFM مترولوژیکی در فرانسه راه‌اندازی شد که قادر به اندازه‌گیری واحد طول با قابلیت ردیابی است. این دستگاه به‌گونه‌ای طراحی شده‌است که بتواند منابع خطا را کاهش داده و در نهایت میزان عدم قطعیت (نشات گرفته از خطای گرمایی، خطای abbe و غیره) را کاهش دهد. اولین تصویر توسط این میکروسکوپ در سال 2010 گرفته شد. از این دستگاه می‌توان برای کالیبراسیون دیگر میکروسکوپ‌ها استفاده کرد.

filereader.php?p1=main_f1c1592588411002a

Atomic Force Microscope


توسعه مواد مرجع:
پروژه RIP-oN2 (پروژه‌ای ویژه نانومواد که در سال 2011 راه‌اندازی شد) توسط کمیسیون اروپا حمایت می‌شود و در آن روی فقدان استانداردها و روش‌های تأیید شده برای آماده‌سازی و مشخصه‌یابی نانومواد تأکید شده‌است. این عدم یکسان بودن روش‌های اندازه‌گیری نانومواد موجب تضاد در نتایج آنالیزها در به عنوان مثال مطالعه سم‌شناسی نانوذرات می‌شود.
در طول سال‌های اخیر، صنایع مختلف در حال تولید و استفاده از نانوذرات گوناگون هستند که رهایش این نانوساختارها در طبیعت و زندگی روزمره موجب بروز مسائل مربوط به سلامت عمومی می‌شود. چنین رشد سریعی در فناوری‌های نانو منجر به بروز برخی ممنوعیت‌ها می‌گردد. در واقع نانوذرات می‌توانند وارد بدن انسان شوند و در نهایت روی بخش‌های مختلف بدن تاثیرگذار باشند. تاثیر نانوذراتی که از طریق سیستم تنفسی وارد بدن می‌شود بستگی به پتانسیل‌های سمیت آنها دارد که میزان این سمیت به ویژگی‌هایی نظیر ترکیب شیمیایی، ابعاد، سطح، شکل، ساختار، حلالیت و فعالیت سطحی بستگی دارد. این که این نانوذرات در کجای سیستم تنفسی قرار گرفته و چه نوع برهم‌کنشی با بدن می‌دهند نیز در میزان سمیت آنها تاثیرگذار است. با این وجود فقدان روش‌های استاندارد و راهبردهای آماده‌سازی نمونه به‌منظور تعیین عوامل مرجع (اندازه، وزن، سطح، شکل و جرم) نیز در تعیین سمیت این نانوساختارها تاثیرگذار است.
با توجه به این مشکلات و چالش‌ها، محققان این پروژه اقدام به تأیید روش‌های مرجع مربوط به تولید، آماده‌سازی و مشخصه‌یابی انواع مختلف آئروژل‌های نانومتری کردند. کل زنجیره اندازه‌گیری ( نمونه‌سازی، آنالیز، پردازش وغیره) به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که در آن از دستورالعمل‌های قابل ردیابی استفاده شده باشد. اولین اولویت در این مسیر، استفاده از روش‌های مستقیم برای اندازه‌گیری و مشخصه‌یابی آئروژل‌های تولید شده به روش سوسپانسیون‌های کلوئیدی است. دومین مسیر، استفاده از راهبردهای غیرمستقیم است که در آن نمونه‌ها روی زیرلایه مناسب نظیر میکا قرارداده شده و سپس با استفاده از روش‌های میکروسکوپی نظیر TEM، SEM و AFM مشخصه‌یابی می‌شود.
این پروژه بخشی از پروژه VAMAS ( مخفف عبارت پروژه روی مواد و استانداردهای پیشرفته) است که در نشست G7 که در سال 1982 در فرانسه برگزار شد مطرح گردید. در این نشست، شرکت‌کنندگان تصمیم گرفتند تا به تبادل فناوری‌های پیشرفته بپردازند. VAMAS به‌عنوان یک پروژه همکاری بین‌المللی روی تحقیقات استاندارد تعریف شد. در این پروژه سازمان‌های استاندارد کشورهای مختلف شرکت دارند. لیست این سازمان‌ها به قرار ذیل است:
BAM (Germany), UNIGE (Italy), KRISS (South Korea), NPLI (India), CENAM (Mexico), INPL (Israel), DFM (Denmark), NMIJ-AIST (Japan), NMISA (South Africa), NMIA-QUT (Australia), LISA (France) and IRSN (France)
نتیجه این تصمیم در کمیته فنی ایزو در بخش فناوری‌نانو مطرح شد.


راهبرد عمومی اروپا برای قانون گذاری آزمون‌های نانومواد(NANo/REG):
پروژه NANoREG به‌صورت ویژه روی قانون‌گذاری ابزارهای همسان تأکید دارد که در نهایت قرار است میزان خطرناک بودن نانومواد مختلف ارزیابی شود. این پروژه به مدد هفتمین برنامه چارچوبی اروپا سرمایه‌گذاری شد و توسط وزارت محیط‌زیست و زیرساخت هلند رهبری شد. این پروژه شامل 57 عضو از 15 کشور بوده که در طول 4 سال (2013 تا 2017) پیاده‌سازی می‌شود.
آزمایشگاه مترولوژی فرانسه در این پروژه شرکت داشته و روی نانوذرات موجود در آئروژل‌ها کار می‌کند. این آزمایشگاه روی اعتبارسنجی دستورالعمل‌های تولید آئروژل‌های مرجع با نانوذرات فعالیت دارد. روش‌های مشخصه‌یابی این نانوذرات در آینده نزدیک ارائه می‌شود.

filereader.php?p1=main_28dd2c7955ce92645

دستورالعمل‌های آماده‌سازی نانوذرات باید بررسی و ارائه شده و در نهایت اعتبارسنجی شود. برای این کار باید از روش‌های میکروسکوپی نظیر SEM، TEM و AFM استفاده کرد. این پروژه به مؤسسه مترولوژی فرانسه کمک می‌کند تا چارچوب مترولوژیکی و ارزیابی عدم قطعیت‌های اندازه‌گیری را برای آئروژل‌های نانوذره‌ای به‌دست آورد.
در طول چند سال گذشته تعاریف مختلفی برای نانومواد ارائه شده‌است که این تعاریف یا بر مبنای ابعاد ذرات بوده و یا براساس ایجاد یک خاصیت ویژه در این مقیاس است. اما تاکنون هیچ یک از این تعاریف با موافقت همگانی روبرو نبوده است، حتی تعریف نانومواد براساس ابعاد 1 تا 100 نانومتر نیز با چالش هایی روبه رو است . در 18 اکتبر 2011، کمیسیون اروپا اقدام به انتشار گزارشی کرد که در آن اسناد مربوط به وضع قوانین درج شده بود. در این گزارش، تعریفی نیز برای نانومواد ارائه شده بود. براساس این تعریف، موادی که در آنها حداقل 50 درصد ذرات دارای ابعادی بین یک تا صد نانومتر داشته باشند، نانوماده تعریف می‌شوند. با توجه به مجموع تعاریف ارائه شده در متون معتبر، شاید بتوان اکنون در بررسی مواد به این سوال پاسخ داد که آیا یک ماده جزء نانومواد است یا خیر؟
منبع: