وقتی فناوری نانو با چاپ سه‌بعدی ترکیب می‌شود

پژوهشگران مؤسسه مطالعات پیشرفته علوم پایه دانشگاه زنجان با مشارکت دانشگاه شریف، دانشگاه ادینبرو، دانشگاه امیرکبیر و دانشگاه شاهرود، در یک مطالعه مروری تازه نشان داده‌اند که ترکیب فناوری نانو با چاپ سه‌بعدی می‌تواند مسیر استفاده صنعتی از چارچوب‌های فلزی-آلی را هموار کند.

به گزارش ایسنا، MOFها به‌دلیل تخلخل نانومتری و سطح ویژه بالا، سال‌هاست گزینه‌ای جذاب برای تصفیه آب و جذب گازها به‌شمار می‌روند، اما شکل پودری آن‌ها مانعی جدی برای کاربردهای صنعتی بوده است. این پژوهش با تمرکز بر ساخت مونولیت‌های MOF چاپ سه‌بعدی‌شده، راهبردهایی را معرفی می‌کند که ضمن حفظ مزایای نانومقیاس، پایداری مکانیکی و قابلیت استفاده عملی را افزایش می‌دهد. نتایج این بررسی می‌تواند افق تازه‌ای برای توسعه مواد پیشرفته زیست‌محیطی بگشاید.

این گروه تحقیقات بین‌المللی در یک مقاله مروری جامع، تازه‌ترین راهبردهای ساخت «مونولیت‌های MOF چاپ سه‌بعدی‌شده» و کاربردهای زیست‌محیطی آن‌ها را بررسی کرده‌اند؛ موادی که می‌توانند نقش مهمی در تصفیه آب، جذب گازها و کاهش آلاینده‌های صنعتی ایفا کنند.

چارچوب‌های آلی فلزی یا MOFها به‌دلیل سطح ویژه بسیار بالا، تخلخل قابل تنظیم و امکان طراحی ساختار در مقیاس نانو، سال‌هاست که در کانون توجه پژوهشگران حوزه نانومواد قرار دارند. این مواد از اتصال یون‌های فلزی و لیگاندهای آلی ساخته می‌شوند و شبکه‌ای بلوری با حفره‌هایی در ابعاد نانومتری ایجاد می‌کنند. همین ویژگی باعث شده MOFها گزینه‌ای جذاب برای جذب یون‌های فلزات سنگین، رنگ‌های آلی، ترکیبات نفتی و حتی گازهایی مانند دی‌اکسیدکربن باشند.

با وجود این مزایا، یک مشکل اساسی همواره کاربرد صنعتی MOFها را محدود کرده است: شکل فیزیکی پودری. MOFهای پودری به‌راحتی دچار سایش می‌شوند، گرد و غبار تولید می‌کنند، چگالی بسته‌بندی پایینی دارند و در فرایندهای صنعتی می‌توانند موجب گرفتگی، افت فشار و محدودیت انتقال جرم و حرارت شوند. این مشکلات نه‌تنها بهره‌وری را کاهش می‌دهد، بلکه خطر آلودگی ثانویه محیط‌زیست را نیز افزایش می‌دهد.

ضرورت حل این چالش‌ها، پژوهشگران را به سمت تبدیل MOFهای نانوساختار از حالت پودر به ساختارهای ماکروسکوپی هدایت کرده است؛ ساختارهایی مانند دانه‌ها، غشاها، ژل‌ها و به‌ویژه مونولیت‌ها. در این میان، چاپ سه‌بعدی به‌عنوان ابزاری نوین و انعطاف‌پذیر، امکان ساخت اشکال پیچیده با کنترل دقیق هندسه و تخلخل را فراهم کرده است.

در این مقاله مروری، پژوهشگران مجموعه‌ای از راهبردهای پیشرفته چاپ سه‌بعدی برای ساخت مونولیت‌های MOF را بررسی کرده‌اند. از جمله این روش‌ها می‌توان به نوشتن مستقیم جوهر (DIW)، رشد درجا با کمک بذر، همانندسازی هماهنگی از پیش‌ماده‌های جامد، جای‌دهی در ماتریس، تف‌جوشی لیزری انتخابی (SLS) و پردازش نور دیجیتال (DLP) اشاره کرد. هر یک از این روش‌ها امکان کنترل ساختار در مقیاس‌های مختلف را فراهم می‌کنند و به پژوهشگران اجازه می‌دهند ویژگی‌های مکانیکی و عملکردی ماده نهایی را به‌طور هدفمند تنظیم کنند.

نقطه کلیدی این پژوهش، پیوند مستقیم فناوری نانو با چاپ سه‌بعدی است. ساختارهای MOF ذاتا نانومتخلخل‌ هستند و عملکرد آن‌ها به توزیع حفره‌ها در مقیاس نانو وابسته است. چاپ سه‌بعدی، این امکان را فراهم می‌کند که این نانوساختارها در قالب یک جسم ماکروسکوپی پایدار و قابل استفاده صنعتی تثبیت شوند، بدون آن‌که مزایای نانومقیاس آن‌ها از بین برود. به بیان دیگر، بخش نانویی کار در مهندسی دقیق تخلخل، سطح ویژه و برهم‌کنش‌های سطحی در مقیاس نانو نهفته است، در حالی که چاپ سه‌بعدی، حامل این نانوساختارها به دنیای کاربردی است.

کاربردهای زیست‌محیطی مونولیت‌های MOF چاپ سه‌بعدی‌شده، بخش مهمی از این مقاله را به خود اختصاص داده است. این مواد در حذف یون‌های فلزات سنگین از آب، جذب رنگ‌های آلی، جداسازی ترکیبات نفتی از آب آلوده، کاتالیز و فوتوکاتالیز برای تجزیه آلاینده‌ها و همچنین جذب و جداسازی گازهایی مانند CO₂ عملکرد چشمگیری از خود نشان داده‌اند. ساختار مونولیتی این مواد، علاوه بر افزایش پایداری مکانیکی، بازیافت و استفاده مجدد را نیز ساده‌تر می‌کند.

با این حال، نویسندگان مقاله تأکید می‌کنند که این حوزه هنوز در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارد. چالش‌هایی مانند سمیت احتمالی MOFها، پایداری مکانیکی و شیمیایی ناکافی برخی ساختارها، هزینه بالای پیش‌ماده‌ها و دشواری تولید در مقیاس صنعتی همچنان پابرجاست. همچنین، بیشتر پژوهش‌ها تاکنون بر تعداد محدودی از MOFهای شناخته‌شده مانند ZIF-8، HKUST-1 و UiO-66 متمرکز بوده‌اند، در حالی که هزاران MOF دیگر با قابلیت‌های بالقوه هنوز بررسی نشده‌اند.

به نقل از ستاد نانو، پژوهشگران بر این باورند که توسعه روش‌های کم‌هزینه، استفاده از حلال‌های سبز مانند آب، طراحی پلیمرها و ذرات MOF پایدار و قابل بازیافت و درک عمیق‌تر از رابطه میان ریزساختار نانویی و عملکرد ماکروسکوپی، مسیر آینده این فناوری را شکل خواهد داد. به اعتقاد آن‌ها، اگر این چالش‌ها با تلاش‌های بین‌رشته‌ای برطرف شود، مونولیت‌های MOF چاپ سه‌بعدی‌شده می‌توانند به یکی از بازیگران کلیدی فناوری‌های زیست‌محیطی آینده تبدیل شوند.