| تاریخ ارسال: 1402/7/29 |
تبدیل ضایعات ماهی به نانوپیاز کربنی عامل‌دار شده توسط فرآیندی یک‌مرحله‌ای
.png)
تصویری از فرآیند پیرولیز مایکروویو یک مرحله‌ای برای تبدیل فلس‌های ماهی به نانوپیاز کربنی. منبع: موسسه فناوری ناگویا، یوتیوب
امسال CTT بازیافت یا استفاده‌ی مجدد از مواد زائد را در صنایع مختلف از جمله تولید نیمه‌هادی، انرژی خورشیدی، انرژی باد و انرژی هسته‌ای پوشش داده‌است. امروز، بخش دیگری را در نظر می‌گیریم که با تولید زباله‌های سنگین دست و پنجه نرم می‌کند، یعنی صنعت غذا. سازمان ملل گزارش می دهد که در سراسر جهان، حدود ۱۴ درصد از مواد غذایی تولیدشده بین مراحل برداشت و خرده‌فروشی از بین می‌رود، به طور کلی تخمین زده می‌شود که ۱۷ درصد از کل تولید مواد غذایی هدر می‌رود. مواد غذایی‌ای که از بین رفته و هدر می‌روند، ۳۸ درصد از کل مصرف انرژی در سیستم غذایی جهانی را تشکیل می‌دهند.
یافتن راه‌هایی برای استفاده‌ی مجدد از ضایعات غذایی، یکی از راه‌های مبارزه با این ضرر است. به عنوان مثال، مواد زاید زیستی به دست آمده از صنعت ماهی به عنوان یک ماده‌ی اولیه‌ی جدید برای اهداف مختلف، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌است. در حال حاضر، حدود ۵۰ تا ۷۵ درصد از محصولات جانبی ماهی و غذاهای دریایی، از جمله احشاء، پوست، استخوان‌ها، فلس‌ها، گوشت، باله‌ها و پوسته‌ها، در طی فرآوری ماهی هدر می‌رود. با این حال، این محصولات جانبی منبع غنی کربن، نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن و گوگرد هستند. آن‌ها همچنین حاوی مقدار زیادی کلاژن، پروتئین خام و آمینو اسیدها هستند.
محققان، مواد سرامیکی پیشرفته‌ی با ارزشی را از این محصولات جانبی به دست آورده‌اند، به عنوان مثال، بیوسرامیک‌های فسفات کلسیم از ضایعات استخوان ماهی سالمون. اکنون، در یک مطالعه اخیر، محققان موسسه فناوری ناگویا در ژاپن، نانو پیازهای کربنی با بلورینگی بالا (CNOs) را با استفاده از پیرولیز مایکروویو یک‌مرحله‌ای فلس‌های ماهی سیاه تولید کردند.
CNO ها یک نانوساختار جدید کربن هستند، متشکل از فولرن‌ها و نانولوله‌های چندجداره که ساختار متحدالمرکزی از پوسته‌های کروی را تشکیل می‌دهند. لایه‌های گرافیتی در ساختار از عیوب و حفره‌های زیادی تشکیل شده‌اند که می‌توان آن‌ها را با اتم‌ها یا مولکول‌های دیگر پر کرد تا به مواد خواص متفاوتی بدهد. به دلیل این تطبیق‌پذیری، CNO ها در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله الکترونیک، فتوولتائیک، کاتالیزور و تشخیص‌های زیست پزشکی، پتانسیل بالایی از خود نشان می‌دهند.
اولین روش سنتز در مقیاس بزرگ برای CNO ها بیش از یک دهه پس از اینکه CNO ها برای اولین بار در سال ۱۹۸۰ به عنوان محصول جانبی ساخت کربن سیاه کشف شدند، توسعه یافت. این روش شامل بازپخت یک پیش ماده‌ی نانوالماس تحت خلاء در دمای بالا (۱۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد تا ۲۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد) بود. اگرچه این روش به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت، اما پراکندگی CNO حاصل با این روش در حلال‌های مختلف از نظر قطبیت، یکی از چالش‌های پیش رو است. سایر روش‌های ساخت CNO عبارتند از تخلیه‌ی قوس (Arc discharge)، رسوب بخار شیمیایی (Chemical vapor deposition)، کاشت یون (Ion implantation)، کند و سوز لیزری (Laser ablation) و پیرولیز حرارتی فاز مایع (Liquid phase-thermal pyrolysis). مشکل این روش‌ها، علاوه بر نیاز به دماهای بالا این است که بسیاری از آن‌ها به منابع کربنی پرهزینه، کاتالیزورهای اضافی، اسیدها یا بازهای خطرناک و عملیات‌های ثانویه برای بهبود خواص نیاز دارند. از مشکلات دیگر می‌توان به آلودگی و بلورینگی کم اشاره کرد.
فرآیند سنتز یک‌مرحله‌ای جدید محققان ناگویا، با بهره‌گیری از ترکیب خاص فلس ماهی، از بسیاری از این مشکلات جلوگیری می‌کند. پس از یک فرآیند تمیزکردن پیچیده برای حذف چربی، رنگ و کلسیم ناخواسته، فلس‌های ماهی با استفاده از فرکانس‌های مشابه مایکروویوهای خانگی معمولی در عرض ۱۰ ثانیه به CNO تبدیل می‌شوند. این نرخ تبدیل سریع به کلاژن موجود در فلس ماهی نسبت داده می‌شود که امواج مایکروویو را به سرعت جذب می‌کند و منجر به افزایش بسیار سریع دما می‌شود. این فرآیند علاوه بر تولید CNO با بلورینگی بسیار بالا، باعث می‌شود که سطح CNO به طور انتخابی و کامل با گروه‌های (-COOH) و (-OH) عامل‌دار شود. هنگامی که سطح CNO عامل‌دار نشده‌است، نانوساختارها تمایل دارند به هم بچسبند و پراکندگی آن‌ها در حلال‌ها را دشوار می‌کند. با این حال، از آنجایی که فرآیند سنتز پیشنهادی CNOهای عامل‌دار را تولید می‌کند، امکان پراکندگی عالی در حلال‌های مختلف را فراهم می‌کند. از مزایای دیگر عامل‌دارشدن و بلورینگی بالا، خواص نوری استثنایی است. CNO مشتق‌شده از ضایعات، فوتولومینسانس قابل مشاهده با عرض انتشار باریک کمتر از ۹۰ نانومتر و بازده کوانتومی بسیار عالی ۴۰٪ (یعنی احتمال فلورسانس یا فسفرسانس یک مولکول) را نشان داد. این بازده ۱۰ برابر بیشتر از CNO های موجود است که به طور معمول با استفاده از روش‌های پیچیده‌تر تهیه می‌شوند.
برای نمایش برخی از کاربردهای عملی متعدد CNO های تولیدشده، محققان از یک فرآیند ساده‌ی ریخته‌گری نواری سه‌مرحله‌ای برای ایجاد یک فیلم انعطاف‌پذیر استفاده کردند که نور آبی ساطع می‌کرد. انتشار درخشنده‌ی حالت جامد تحت تابش فرابنفش حتی در غلظت‌های کم CNOها (۲ میلی‌گرم در میلی‌لیتر) رخ داد. سپس فیلم را به یک LED تبدیل کردند که هنوز نور آبی از خود ساطع می‌کرد که به CNO های فعال نسبت داده می‌شد.
در مقاله‌ای در مجله Cosmos، تاکاشی شیرای، دانشیار مؤسسه فناوری ناگویا، نتیجه‌گیری می‌کند: «این یافته‌ها راه‌های جدیدی را برای توسعه نمایشگرهای نسل بعدی و نورپردازی حالت جامد باز خواهند کرد.»
مقاله‌ی مرجع:
یافتن راه‌هایی برای استفاده‌ی مجدد از ضایعات غذایی، یکی از راه‌های مبارزه با این ضرر است. به عنوان مثال، مواد زاید زیستی به دست آمده از صنعت ماهی به عنوان یک ماده‌ی اولیه‌ی جدید برای اهداف مختلف، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌است. در حال حاضر، حدود ۵۰ تا ۷۵ درصد از محصولات جانبی ماهی و غذاهای دریایی، از جمله احشاء، پوست، استخوان‌ها، فلس‌ها، گوشت، باله‌ها و پوسته‌ها، در طی فرآوری ماهی هدر می‌رود. با این حال، این محصولات جانبی منبع غنی کربن، نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن و گوگرد هستند. آن‌ها همچنین حاوی مقدار زیادی کلاژن، پروتئین خام و آمینو اسیدها هستند.
محققان، مواد سرامیکی پیشرفته‌ی با ارزشی را از این محصولات جانبی به دست آورده‌اند، به عنوان مثال، بیوسرامیک‌های فسفات کلسیم از ضایعات استخوان ماهی سالمون. اکنون، در یک مطالعه اخیر، محققان موسسه فناوری ناگویا در ژاپن، نانو پیازهای کربنی با بلورینگی بالا (CNOs) را با استفاده از پیرولیز مایکروویو یک‌مرحله‌ای فلس‌های ماهی سیاه تولید کردند.
CNO ها یک نانوساختار جدید کربن هستند، متشکل از فولرن‌ها و نانولوله‌های چندجداره که ساختار متحدالمرکزی از پوسته‌های کروی را تشکیل می‌دهند. لایه‌های گرافیتی در ساختار از عیوب و حفره‌های زیادی تشکیل شده‌اند که می‌توان آن‌ها را با اتم‌ها یا مولکول‌های دیگر پر کرد تا به مواد خواص متفاوتی بدهد. به دلیل این تطبیق‌پذیری، CNO ها در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله الکترونیک، فتوولتائیک، کاتالیزور و تشخیص‌های زیست پزشکی، پتانسیل بالایی از خود نشان می‌دهند.
اولین روش سنتز در مقیاس بزرگ برای CNO ها بیش از یک دهه پس از اینکه CNO ها برای اولین بار در سال ۱۹۸۰ به عنوان محصول جانبی ساخت کربن سیاه کشف شدند، توسعه یافت. این روش شامل بازپخت یک پیش ماده‌ی نانوالماس تحت خلاء در دمای بالا (۱۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد تا ۲۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد) بود. اگرچه این روش به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت، اما پراکندگی CNO حاصل با این روش در حلال‌های مختلف از نظر قطبیت، یکی از چالش‌های پیش رو است. سایر روش‌های ساخت CNO عبارتند از تخلیه‌ی قوس (Arc discharge)، رسوب بخار شیمیایی (Chemical vapor deposition)، کاشت یون (Ion implantation)، کند و سوز لیزری (Laser ablation) و پیرولیز حرارتی فاز مایع (Liquid phase-thermal pyrolysis). مشکل این روش‌ها، علاوه بر نیاز به دماهای بالا این است که بسیاری از آن‌ها به منابع کربنی پرهزینه، کاتالیزورهای اضافی، اسیدها یا بازهای خطرناک و عملیات‌های ثانویه برای بهبود خواص نیاز دارند. از مشکلات دیگر می‌توان به آلودگی و بلورینگی کم اشاره کرد.
فرآیند سنتز یک‌مرحله‌ای جدید محققان ناگویا، با بهره‌گیری از ترکیب خاص فلس ماهی، از بسیاری از این مشکلات جلوگیری می‌کند. پس از یک فرآیند تمیزکردن پیچیده برای حذف چربی، رنگ و کلسیم ناخواسته، فلس‌های ماهی با استفاده از فرکانس‌های مشابه مایکروویوهای خانگی معمولی در عرض ۱۰ ثانیه به CNO تبدیل می‌شوند. این نرخ تبدیل سریع به کلاژن موجود در فلس ماهی نسبت داده می‌شود که امواج مایکروویو را به سرعت جذب می‌کند و منجر به افزایش بسیار سریع دما می‌شود. این فرآیند علاوه بر تولید CNO با بلورینگی بسیار بالا، باعث می‌شود که سطح CNO به طور انتخابی و کامل با گروه‌های (-COOH) و (-OH) عامل‌دار شود. هنگامی که سطح CNO عامل‌دار نشده‌است، نانوساختارها تمایل دارند به هم بچسبند و پراکندگی آن‌ها در حلال‌ها را دشوار می‌کند. با این حال، از آنجایی که فرآیند سنتز پیشنهادی CNOهای عامل‌دار را تولید می‌کند، امکان پراکندگی عالی در حلال‌های مختلف را فراهم می‌کند. از مزایای دیگر عامل‌دارشدن و بلورینگی بالا، خواص نوری استثنایی است. CNO مشتق‌شده از ضایعات، فوتولومینسانس قابل مشاهده با عرض انتشار باریک کمتر از ۹۰ نانومتر و بازده کوانتومی بسیار عالی ۴۰٪ (یعنی احتمال فلورسانس یا فسفرسانس یک مولکول) را نشان داد. این بازده ۱۰ برابر بیشتر از CNO های موجود است که به طور معمول با استفاده از روش‌های پیچیده‌تر تهیه می‌شوند.
برای نمایش برخی از کاربردهای عملی متعدد CNO های تولیدشده، محققان از یک فرآیند ساده‌ی ریخته‌گری نواری سه‌مرحله‌ای برای ایجاد یک فیلم انعطاف‌پذیر استفاده کردند که نور آبی ساطع می‌کرد. انتشار درخشنده‌ی حالت جامد تحت تابش فرابنفش حتی در غلظت‌های کم CNOها (۲ میلی‌گرم در میلی‌لیتر) رخ داد. سپس فیلم را به یک LED تبدیل کردند که هنوز نور آبی از خود ساطع می‌کرد که به CNO های فعال نسبت داده می‌شد.
در مقاله‌ای در مجله Cosmos، تاکاشی شیرای، دانشیار مؤسسه فناوری ناگویا، نتیجه‌گیری می‌کند: «این یافته‌ها راه‌های جدیدی را برای توسعه نمایشگرهای نسل بعدی و نورپردازی حالت جامد باز خواهند کرد.»
مقاله‌ی مرجع:
The paper, published in Green Chemistry, is “Fabrication of ultra-bright carbon nano-onions via a one-step microwave pyrolysis of fish scale waste in seconds” (DOI: ۱۰.۱۰۳۹/D۱GC۰۴۷۸۵J).
منبع خبر:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف