نانوحباب چیست، از چه زمانی نانوحباب برای محققان جذابیت پیدا کرده است، از چه راهی می‌توان نانوحباب را شناسایی کرد، روش‌های تولید نانوحباب کدام است و… این‌ها سوالاتی است که در این نوشتار به آن پرداخته می‌شود.
نانو حباب چیست؟
نانو حباب در تعریف به حباب‌های گازی درون سیال با ابعاد ۱ تا ۲۰۰ نانومتر اطلاق می‌شود. گرچه در برخی از تعاریف، حباب‌های با ابعاد کوچکتر ۱۰۰۰ نانومتر را در نیز در شاخه نانو حباب‌ها به حساب می‌آورند. از طرفی به حباب‌هایی با ابعاد ۱ تا ۳۰ میکرون، میکرو حباب و به حباب‌های با ابعاد بزرگتر از ۳۰ میکرومتر، ماکرو حباب گفته می‌شود. در ظاهر، نانو حباب‌ها درون سیال کامل شفاف هستند، حال آنکه میکرو حباب‌ها سیال را کدر کرده و ماکرو حباب‌ها به راحتی به چشم انسان درون سیال قابل تشخیص است. از طرفی دیگر با تغییر ابعاد حباب از نانو به ماکرو، پایداری حباب درون سیال کاهش پیدا می‌کند. این موضوع به علت نیروی بویانسی است که با افزایش شعاع حباب، تمایل آن را را برای خروج از سیال افزایش می‌دهد.
از دیگر خواص جالب نانو حباب‌ها قابلیت انحلال بالای آن‌ها درون سیال است به گونه‌ای که در برخی از موارد امکان افزایش میزان انحلال گاز تا چندین برابر اشباع، با استفاده از نانو حباب به وجود می‌آید. برای مثال با به کارگیری نانوحباب‌ها امکان افزایش میزان اکسیژن محلول تا بیش از ۴۰ پی پی ام درون آب شرب در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد و هم‌سطح با ارتفاع از دریای آزاد فراهم می‌شود.
یکی دیگر از خواص جالب نانو حباب‌ها، ایجاد بار سطحی منفی است که در منابع علمی با عنوان پتانسیل زتا از آن یاد می‌شود. با کوچک شدن ابعاد حباب‌های گازی، بار سطحی یا پتانسیل زتا افزایش یافته که باعث پخش شدن یکنواخت حباب در تمام سیال شده و از طرفی از به هم پیوستگی و خروج آن از سیال جلوگیری خواهد کرد. این موضوع باعث می‌شود که در برخی از شرایط نانو حباب‌ها تا هفته‌ها یا ماه‌ها درون سیال پایدار باقی بمانند.
به طور خلاصه مهم‌ترین خواص ایجاد شده با تبدیل ابعاد حباب گازی به کمتر از ۲۰۰ نانومتر، شامل پایداری و افزایش قابل توجه قابلیت انحلال است که قابلیت استفاده آن را در صنایع مختلف نظیر کشاورزی، آبزی پروری و تصفیه به وجود می‌آورد.
تاریخچه نانو حباب
گرچه فناوری نانو حباب و استفاده تجاری از آن پدیده‌ای بسیار نو به حساب می‌آید، اما تئوری اسنفاده از نانو حباب‌ها سابقه‌ای طولانی دارد. اولین بار در سال ۱۹۵۰ بود که تئوری اپستین- پلست در جهت پیش بینی زمان ماندگاری حباب‌ها درون سیال ارائه شد. این تئوری در سالیان بعد بیانگر یکی از خواص مهم نانو حباب‌ها، یعنی پایداری مناسب آن‌ها درون سیال شد.
در سال ۲۰۰۰ بود که نخستین تصویر AFM از نانو حباب‌های موجود در آب ارائه شد. این موضوع در سال ۲۰۰۳ با ارائه تصویر میکروسکوپ فلورسنس از نانو حباب‌های اکسیژن پراکنده شده در سیال، یقین محققان و دانشمندان در خصوص وجود نانو حباب‌ها را بیشتر کرد.
سپس در سال ۲۰۰۶، محققان توانستند نانو حباب‌ها را در حضور سورفکتانت‌ها و محلول‌های نمکی در پایداری بسیار مناسب در آب سنتر کنند. استفاده از آنالیز DLS برای سنجش پراکندگی اندازه نانو حباب‌ها موجود در سیال، معیار‌های مناسب‌تری از سنجش ابعاد نانو حباب‌ها را در آن سال‌ها ارائه کرد. همچنین سنجش پتانسیل زتا بیانگر بار سطحی منفی به وجود آمده بر روی نانو حباب‌ها و موید پایداری مناسب آن‌ها درون سیال بود.
در سال ۲۰۱۰، نخستین تصاویر با کیفیت TEM و Cryo-SEM از نانو حباب‌ها توسط محققات ارائه شد. این تصاویر بالاترین وضوح از حضور نانو حباب‌های گازی درون آب و سیالات دیگر را به اثبات رسانید که منشا به وجود آمدن فعالیت‌های تجاری متعدد بر روی این فناوری در حوزه نانو گشت.
روش‌های تشخیص نانو حباب‌ها
نانو حباب‌های گازی به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) درون آب به صورت کاملا شفاف بوده و سیال را کدر نمی‌کنند. محققان به منظور تشخیص و اثبات وجود نانو حباب‌های گازی روش‌های مختلفی را پیشنهاد می‌دهند که در ادامه به آن اشاره شده است:
۱- استفاده از نور لیزر: گرچه حضور نانوحباب ظاهر آب را تغییر نمی‌دهد، اما خط نور لیزر در آبی که حاوی نانو حباب‌های گازی باشد، مشخص می‌شود. همچنین اندازه‌گیری غلظت اکسیژن یا هر گاز دیگری که بدون تغییر ظاهری آب، به شکل محسوسی درون سیال افزایش یافته باشد، موید حضور نانو حباب‌های گازی در سیال است.
۲- ایجاد تنش‌های آنی: به صورتی که با تکان دادن شدید آب حاوی نانو حباب‌های گازی ظاهر آن به طور موقت به صورت کدر در آمده و مجددا شفاف می‌شود.
۳- آنالیز DLS: این آنالیز با استفاده از رابطه اینشتین-استوکس که از حرکات براونی حباب درون سیال بدست می‌آید، به شکل غیر مستقیم ابعادی را برای حباب‌های گازی پیشنهاد می‌دهد. گرچه آنالیز DLS لزوما دقت بالای ندارد، اما روش ارزان قیمت و مناسبی برای تخمین ابعاد حباب‌های گازی درون سیال ارائه می‌دهد.
۴- آنالیز پتانسیل Zeta: از روش‌هایی که عموما به همراه آنالیز DLS برای ارزیابی نانو حباب‌ها پیشنهاد می‌شود. با توجه به آنکه با کوچکتر شدن ابعاد حباب‌های گازی، بار سطحی منفی آن‌ها درون آب افزایش می‌یابد، افزایش پتانسیل زتا به صورت غیرمستقیم نشان دهنده پایداری بیش تر حباب‌های گازی و ریز‌تر بودن ابعاد آن است.
۵- روش‌های تصویربردای نانویی نظیر AFM و TEM: این روش‌ها از دقت بسیار مناسبی برخوردار هستند اما با توجه به هزینه نسبتا بالا و پیچیدگی‌های انجام آنالیز به ندرت توسط محققان انجام می‌شوند.
روش‌های تولید
به منظور تولید نانو حباب‌ها به طور کلی از ۳ روش استفاده می‌شود که در ادامه توضیح داده شده است:
۱- الکترولیز: ایجاد جریان مستقیم درون سیالات هادی نظیر آب، منجر به تجزیه سیال به عناصر تشکیل دهنده آن در اطراف آند و کاتد می‌شود. این گونه‌ها می‌توانند به صورت حباب‌های نانومتری درون سیال پراکنده شده و منجر به تولید نانو حباب‌های گازی شوند. استفاده از این روش با توجه به قابلیت مقیاس‌پذیری پایین و مصرف برق بالا با استقبال مناسبی مواجه نشده است.
۲- غشا: عبور جریان پرفشار گاز ار درون غشاهای میکرومتری و نانومتری منجر به تولید حباب‌های میکرومتری و نانومتری می‌شود. استفاده از غشا با توجه به قابلیت مقیاس‌پذیری و ورود مستقیم گاز به درون سیال، از جذابیت فراوانی برخوردار است. عبور جریان تک فاز از غشا، ماندگاری و هزینه استهلاک پایینی برای این روش در پی دارد. گرچه یکی از معایب استفاده از غشا برای تولید حباب‌های ریز آن است که با استفاده از آن، به ندرت می‌توان حباب‌هایی با ابعاد کوچکتر از ۳۰۰ نانومتر ساخت.
۳- کاویتاسیون: تغییر ناگهانی فشار هیدرودینامیکی در جریان سیال با استفاده از امواج الکترومغناطیس به منظور تولید کاویتاسیون، یکی از روش‌های شناخته شده و رایج به منظور تولید نانو حباب‌های گازی است. مهم‌ترین و رایج‌ترین روش تولید نانو حباب، استفاده از راکتورهای کاویتاسیون است. آنچه در خصوص طراحی این نوع از راکتورهای از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، مصرف بهینه انرژی به منظور تولید ریز مقیاس‌ترین نوع از حباب‌های گازی درون سیال است. از مزایای استفاده از روش کاویتاسیون می‌توان به قابلیت مقیاس‌پذیری و امکان دستیابی به حباب‌هایی با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر اشاره کرد.
فاکتورهای موثر در تولید نانو حباب
جدا از روش مورد استفاده جهت تولید نانو حباب‌های گازی، فاکتورهای فیزیکی و محیطی دیگری نیز در ابعاد و پایداری نانو حباب‌ها تاثیر می‌گذارند که عبارتند از:
فشار: به طور معمول با افزایش فشار سیال، ابعاد نانو حباب‌های گازی کاهش یافته و پایداری آن‌ها افزایش می‌یابد. این موضوع در روش کاویتاسیون (کاویتاسیون هیدرودینامیکی) کاملا محسوس است.
دما: دما به عنوان یکی از پارامترهایی است که باعث بزرگتر شدن ابعاد نانو حباب‌ها و کاهش پایداری آن‌ها می‌شود. از طرفی با افزایش دما، سرعت ایجاد کاویتاسیون کاهش می‌یابد که خود به عنوان یک فاکتور نامطلوب در تولید نانو حباب‌های گازی به حساب می‌آید.
نوع و غلظت گاز: نوع گاز می‌توان بر ابعاد آن موثر باشد. همچنین با افزایش غلظت گاز درون سیال ابعاد حباب‌ها افزایش یافته و ایجاد پایداری مناسب درون سیال دشوارتر خواهد شد.
سورفکتانت: حضور مواد فعال سطحی یا سورفکتانت‌ها به شکل جدی می‌تواند بر روی ابعاد نانو حباب‌ها و پایداری آن‌ها اثر گذار باشد. این موضوع با در نظر گرفتن بار سطحی موجود بر روی نانو حباب‌های گازی، قابل پیش بینی است.
استفاده از محلول‌های الکترولیت: از آنجا که محلول‌های اکترولیت می‌توانند به شکل جدی بر روی بار سطحی موجود بر روی نانو حباب‌ها و پتانسیل زتا آن‌ها تاثیر گذار باشند، به عنوان یکی از فاکتورهای مهم در تعیین ابعاد نانو حباب‌های گازی به شمار می‌آیند.
اثبات وجود نانو حباب‌ها
یکی از مواردی که در خصوص نانو حباب‌ها همواره مورد بحث بوده است، ارائه مبانی علمی در خصوص وجود آن‌ها است. از طرفی با ایجاد نانو حباب‌های گازی برای مثال گاز اکسیژن، درون آب یا هر سیال دیگر به شکل محسوسی میزان غلظت گاز حل شده در آن افزایش می‌یابد. برای مثال میزان اکسیژن محلول درون آب را با استفاده از نانو حباب‌ها می‌توان تا بیش از ۵ برابر اشباع افزایش داد و از طرفی دیگر حضور نانو حباب‌ها و عدم از بین رفتن آن درون سیال با انواع روش‌های آنالیز نانویی قابل اثبات است.
برای این منظور دو قانون هنری برای اندازه‌گیری غلظت گاز‌های حل شده و یانگ لاپلاس برای اندازه گیری فشار درون حباب به صورت همزمان مورد بحث قرار می‌گیرد.
قانون هنری بیانگر آن است که غلظت گاز حل شده درون سیال متناسب با غلظت آن در اتمسفر بالای آن است. با توجه به اینکه یکی از روش‌های معمول ایجاد نانو حباب‌ها افزایش فشار گازی بر روی سیال است، می‌توان افزایش محسوس غلظت گاز درون سیال را، ناشی از حل شدن و از بین رفتن آن دانست.
از طرف دیگر مطابق قانون یانگ لاپلاس با کوچکتر شدن ابعاد حباب‌های گازی، فشار درون حباب به شدت افزایش یافته که منجر به از بین رفتن حباب می‌شود. لذا از نظر تئوری وجود نانو حباب‌ها ممکن نخواهد بود.
از این رو مطابق بسیاری از موارد مشابه در نانو فناوری، مبانی و قوانین ماکرو موجود در فیزیک و سیالات در تناقض با رفتار آن‌ها در ابعاد نانومتری خواهد بود و می‌بایست مبانی دیگری را در این خصوص ارائه داد.
بازار فناوری نانو حباب
فناوری نانو حباب از جمله کاربرد‌های جذاب نانوفناوری است که در صنایع متعددی من جمله کشاورزی، آبزی پروری، تصفیه آب، معدن و نفت کاربرد دارد. ظهور تجاری استفاده از این فناوری سبقه طولانی نداشته اما پیش بینی‌ها حاکی از رشد قابل توجه اقتصاد بازار فناوری نانو حباب دارد.
مطابق آخرین ارزیابی‌ها در سال ۲۰۲۲، فروش انواع ژنراتور‌های نانو حباب ساز در دنیا به بیش از ۳۳ میلیون دلار رسیده است، حال آنکه مدل‌های ارزیابی نشان می‌دهد که این میزان از فروش تا سال ۲۰۳۰ به بیش از ۸۵ میلیون دلار در سراسر دنیا افزایش خواهد یافت. این بدان معنا است که افزایش متوسط رشد سالانه فروش این فناوری بیش از ۱۷ درصد خواهد بود. البته در این خصوص چالش‌هایی نظیر بیماری کووید و جنگ روسیه – اوکراین می‌تواند در روند رشد بازار این فناوری موثر باشد.
در حال حاضر شرکت مولار مستقر در ایالت کالیفرنیای آمریکا، توانسته است بیش از ۳۶ درصد از بازار فروش انواع ژنراتور‌های نانو حباب سراسر دنیا را به خود اختصاص دهد. پس از شرکت مولار، شرکت آکنیتی ژاپن بیش از ۸ درصد از بازار ژنراتور‌های نانو حباب ساز را به خود اختصاص داده است.
همچنین در میان انواع ژنراتور‌های نانو حباب ساز، دو نوع افزایش فشار – انحلال و سیرکولاسیون پرفروش‌ترین مدل‌های ژنراتور‌های نانو حباب‌ساز هستند. از میان کاربرد‌های صنعتی فناوری نانو حباب پیش بینی می‌شود که صنعت آبزی پروری بیش‌ترین استفاده از ژنراتور‌های نانو حباب ساز را داشته باشد و پس از آن صنایعی نظیر کشاورزی، نیمه هادی‌ها، تصفیه آب، نفت و گاز و معدن رتبه‌های بعدی را به خود اختصاص می‌دهند.
در حال حاضر بزرگ‌ترین بازار مصرف فناوری نانو حباب، منطقه آمریکای شمالی است و پس از آن، آسیای جنوب شرقی، اروپا، آمریکای لاتین و خاورمیانه رتبه‌های بعدی را به خود اختصاص داده‌اند.
در مجموع مطابق ارزیابی‌های صورت گرفته، از فناوری نانو حباب و ژنراتور‌های نانوحباب ساز در سالیان آتی بیش از پیش استفاده خواهد شد.
