بخشی از مقاله
چکیده
فناوری نانو در علوم خاک به منظور مدیریت موثر تغذیه گیاه در خاک با بهرهگیری از نانوکودها، کنترل بیماریهای خاکزاد با استفاده از نانوآفتکشها، اصلاح شوری و حذف آلایندهها از خاک با استفاده از نانوذرات و نانوجاذبهای متخلخل، افزایش قابلیت نگهداری رطوبت خاک با استفاده از فوق جاذبهای نانو، تثبیت خاکهای فرسایشپذیر با به کارگیری نانورس-ها و نانوپلیمرها و ارائه انواع مختلف سنسورهای شیمیایی و زیستی برای سنجش دقیق در خاک، میتواند به کار گرفته شود. علیرغم همهی این قابلیتها، عدم قطعیت و کمبود دانش در زمینه مخاطرات زیست محیطی، رفتار پیچیده در محیط نامتجانس خاک و روشهای سنتز و تجزیه ای گران قیمت نانو مواد، کاربرد این فناوری در خاک را با چالشهایی مواجه ساخته است.
مقدمه
فناوری نانو مجموعهای از تکنیکها، فرایندهای توصیفکننده و کاربرد مواد در مقیاس نانومتر در سه شاخه اصلی نانو مواد، نانوابزارها و نانوحسگرها را در بر میگیرد. یک نانومتر معادل 10-9متر است و اصولاً کنترل ماده در محدوده 1 تا 100 نانومتر در فناوری نانو مد نظر میباشد
بسیاری از خصوصیات مواد در مقیاس نانو متفاوت از ویژگیهای آنها در مقیاس میکرو و ماکرو است. این تفاوت را میتوان در واکنشپذیری شیمیایی، قدرت فیزیکی، هدایت الکتریکی، خاصیت مغناطیسی و ویژگیهای نوری مواد به وضوح مشاهده نمود. این تفاوتها عمدتاً ناشی از نسبت سطح به حجم بسیار بیشتر مواد نانومقیاس نسبت به همین مواد در مقیاس بزرگتر است که امکان واکنشپذیری بیشتر این مواد را با سایر مواد فراهم میآورد و موجب تمایل آنها به بروز صفات منحصر به فرد میشود
خصوصیات ویژه مواد در مقیاس نانو امکان بهرهگیری از کاربردهای بالقوه فناوری نانو در عرصههای مختلف همچون فیزیک، شیمی، زیست شناسی، علم مواد، مهندسی، پزشکی، انرژی، محیط زیست و کشاورزی را فراهم آورده است
کاربرد فناوری نانو در در علوم کشاورزی در زمینههایی چون کشاورزی دقیق، اصلاح نباتات، تولید سموم، کودهای موثر و کم خطر، گیاه پزشکی، علوم دامی، ماشین آلات کشاورزی، صنایع غذایی، مهندسی آب، علوم خاک، شیلات و صنعت چوب، میتواند زمینه ایجاد تحولی اساسی در راستای رسیدن به کشاورزی پایدار را فراهم آورد
اخیراً قابلیتهای فناوری نانو در علوم خاک مورد توجه متخصصین این رشته قرار گرفته است - Wilson et al., 2008 - ؛ لذا در این پژوهش پس از معرفی انواع مختلف مواد نانو و روشهای سنتز و مشخصهیابی آنها، قابلیتها و پتانسیلهای فناوری نانو در زمینههای مختلف علوم خاک مورد بررسی قرار میگیرد. در پایان نیز به برخی از چالش ها و محدودیتهایی که کاربرد این فناوری در محیط خاک دارد نیز اشاره میشود.
مواد و روشها
اطلاعات این تحقیق با استفاده از روش مطالعه کتابخانهای و کاوشهای اینترنتی در پایگاههای اطلاعاتی گردآوری شده است. در این تحقیق ابتدا انواع نانومواد، روشهای سنتز و مشخصهیابی آنها معرفی میگردد؛ سپس زمینههای مختلف کاربرد فناوری نانو در علوم خاک شامل، کاربرد در تغذیه گیاه، مبارزه با آفات و بیماریهای خاکزاد، پالایش خاک و آب، مدیریت آب در خاک، اصلاح خصوصیات فیزیکی و حفاظت خاک و سنجش و نظارت دقیق در خاک مورد بحث قرار میگیرد. در پایان به برخی از چالشهای موجود در زمینه کاربرد این فناوری در علوم خاک نیز اشاره میشود.
انواع نانومواد با توجه توسعهی فناوری نانو، انواع موادی که با استفاده از این فناوری تولید میشوند، بسیار متنوع میباشد و ممکن است بر مبنای جنس و ترکیب شیمایی، ابعاد، شکل یا روش ساخت نیز طبقهبندی شوند. یکی از روشهای معمول، طبقهبندی نانو مواد از نظر ابعاد است. چهار گروه مختلف مواد نانو از نظر ابعاد به صورت شماتیک در شکل 1 نمایش داده شده است که شامل موارد زیر میباشد :
نانومواد صفر بعدی: منظور از نانومواد صفربعدی موادی هستند که هر سه مولفه اندازه آنها - طول، عرض و ارتفاع - کمتر از 100 نانومتر باشند. نانوذرات معروفترین نانومواد صفربعدی هستند.
نانومواد یکبعدی: هرگاه اندازه فقط یک بعد از مادهمثلاً - طول آن - از 100 نانومتر بیشتر شود، ولی همچنان دو بعد دیگر آن زیر 100 نانومتر باشد، نانوماده یکبعدی بدست میآید. نانوسیمها، نانومیلهها، نانوالیاف و نانولولهها همگی از نانومواد یکبعدی به شمار میروند.
نانومواد دوبعدی: اگر یک بعد دیگر از اندازه ماده نیز از 100 نانومتر بیشتر شود و تنها یک بعد از سه بعد، اندازهای کمتر از حد تعریف داشته باشد، به آن نانوماده دوبعدی میگویند که معادل صفحه در هندسه است. لایههای نازک و نانوپوششها از دسته نانومواد دو بعدی محسوب میشوند که امروزه کاربردهای وسیعی دارند.
نانومواد سهبعدی: موادی هستند که اگر چه هیچ یک از ابعاد آنها در محدوده نانو نیست، ولی وجود یکی از نانومواد صفر، یک یا دوبعدی در ساختار آن وجود دارد. نانوکامپوزیت ها و نانومواد متخلخل از مهمترین مواد نانو سه بعدی هستند.
شکل -1 انواع مختلف مواد نانو از نظر ابعاد
روشهای سنتز و مشخصهیابی نانومواد بهطورکلی روشهای سنتز نانو مواد را میتوان به دو دسته بالا به پایین1و پایین به بالا2 تقسیم بندی کرد؛ در روش بالا به پایین یک ماده تودهای به بخشهای کوچکتری تقسیم میشوند تا اینکه مواد به ابعاد نانو میرسد. بر عکس، در روش پایین به بالا اتمها و مولکولها کنار هم چیدمان می شوند و ذرات بزرگتر در ابعاد نانو ساخته میشود. طیف وسیعی از روشهای فیزیکی، شیمیایی، فیزیکوشیمیایی و بیولوژیکی در قالب این دو رویکرد اصلی برای سنتز ذرات نانو به کار گرفته می شوند - Tarafdar . - and Raliya, 2011 برخی از مهمترین روشهای سنتز نانومواد در شکل - الف- - 2 نشان داده شده است.
پس از سنتز نانومواد ویژگیهای مختلف این مواد که بر روی رفتار محیطی آنها تأثیر زیادی دارد تعیین میگردد. مهمترین مشخصههایی که در این رابطه تعیین میشوند عبارتند از شکل، ترکیب شیمیایی، توزیع اندازه ذرات، مورفولوژی سطحی، پتانسیل زتا و نقطه بار صفر1 که با استفاده از تکنیک های مختلفی مورد سنجش قرار میگیرد . - Adhikari, 2013 - برخی از رایجترین تکنیک ها مورد استفاده برای مشخصه یابی در شکل - ب- - 2 نشان داده شده است.
شکل -2 روشهای معمول سنتز نانومواد - الف - و تکنیک های مختلف مشخصه یابی این مواد - ب - .
زمینههای کاربرد فناوری نانو در علوم خاک
-1 تغذیه گیاه
تأمین میزان دقیق عنصر غذایی مورد نیاز گیاه، افزایش راندمان استفاده از کود، قابل دسترس نمودن عناصر غذایی موجود ولی غیر قابل دسترس در ریزوسفر و همچنین در اختیار قرار دادن کود در زمان مناسب برای گیاه از طریق ریشه یا تغدیه برگی بهمنظور کاهش اثرات زیست محیطی استفاده از کود در کشاورزی همواره مورد توجه بوده است
به کارگیری خلاقانه پتانسیلهای موجود در نانوتکنولوژی برای حل این چالشها میتواند چشمانداز وسیعی برای فرمولاسیون نانوساختار کودها و ارائه نانوکودها2 با هدف افزایش حلالیتپذیری، انتشارپذیری، انتقال هدفمند3، رهایش کنترل شده4 و رهایش شرطی5 عنصر غذایی موجود در کود در پاسخ به نیاز گیاه و یا به عبارتی دستیابی به کودهای هوشمند6 در کشاورزی را فراهم آورد
نانوکودها با داشتن قطر کم میتوانند از طریق برگ یا ریشه وارد گیاه شوند . در این راستا اندازه قطر نانوذرات اهمیت ویژه ای دارد. ذرات با قطر کمتر از 20 نانومتر به منظور محلولپاشی برای ورود به گیاه از طریق اندام هوایی پیشنهاد شده است
