Përdorimi i zjarrit për prodhimin e nanopartikulave mund të revolucionarizojë industritë e ndryshme

Zjarri është padyshim zbulimi më i hershëm i njerëzimit. Ishte thelbësor në avancimin e shoqërisë — duke mbështetur shumë nga shpikjet më transformuese të njerëzimit, nga gatimi dhe përpunimi i armëve deri te gjenerimi i energjisë dhe mundësimi i motorëve me djegie të brendshme të makinave.

Sot, zjarri vazhdon të jetë porta hyrëse për disa nga nanoteknologjitë më të avancuara që po zhvillohen aktualisht për përdorim në trajtimet kundër kancerit dhe si sensorë të frymëmarrjes për zbulimin e hershëm të diabetit dhe sëmundjeve të tjera metabolike.

Nanoteknologjitë mund të gjenden në pothuajse çdo aspekt të jetës sonë të përditshme. Për shembull, kam shkruar më parë për nanoteknologjinë e përdorur në vaksinat mRNA që na ndihmuan gjatë pandemisë, dhe kanë lehtësuar bisedat duke diskutuar se si nanoteknologjia ndikon në verën, zorrën dhe klimën tonë.

Për shembull, sensorët e gazit që përfshijnë nanobërthama të bërë përmes zjarrit mund të përdoren për verifikimin që nuk ka metanol në pije alkoolike. Metanoli është një alkool shumë i helmueshëm kontaminant, dhe ka shkaktuar shumë helmime në mbarë botën.

Zjarri është mënyra se si bëhen shumica e nanobërthamave — dhe, duke zgjeruar, nanoteknologjitë — janë bërë. Për shembull, një e treta e peshës së një gome të makinës përbëhet nga nanobërthama të karbonit të zi, të cilat janë bërë duke përdorur zjarrin. Këto nanobërtha ndihmojnë për të forcuar gomën. Pinta e bardhë që përdorim në muret tona dhe mbulesat në disa pilula përmbajnë nanobërthama të titanit të bërë me zjarr. Në mënyrë të ngjashme, silika e tymosur — e cila përdoret në fibra optike të nevojshme për sistemet e internetit dhe komunikimit — gjithashtu është bërë në zjarr.

Si bëhet nanoteknologjia

Pra, si formohen nanobërthamat, të cilat janë 80 deri në 100 mijë herë më të vogla se trashësia e një flokë njeriu, brenda një zjarri?

Unë specializohem në prodhimin e nanobërthamave në zjarr — duke përdorur veçanërisht një teknologji të quajtur përhapja e flakës me djegie në flakë.

Në kërkimet e mia, unë djeg kimikate të ndezshme që përmbajnë elementët metalikë të synuar për të formuar nanobërthamat e mia. Çdo gjë oksidohet gjatë djegies: karboni bëhet CO2, hidrogjeni bëhet avull uji dhe elementët metalikë bëhen okside metali.

Gjatë milisekondave që këto grimca oksidike të metaleve kalojnë brenda zjarrit, ato goditen dhe rriten duke u bërë nano- ose mikro-grimca. Unë i mbledh këto grimca në një filtër në majë të zjarrit. Pronat e rëndësishme si madhësia dhe struktura kristalore e nanobërthamave që prodhohen varen nga sa kohë këto grimca kalojnë brenda zjarrit.

Sa më shumë kohë që kanë grimcat për t'u përplasur brenda zjarrit të përpunimit, aq më të mëdha rriten. Ne gjithashtu mund të bëjmë grimca të komplikuara që përbëhen nga shumë elementë duke djegur një përzierje të kimikateve të ndryshme. Ky proces është gjithashtu shumë i përshtatshëm dhe i shkallëzueshëm — duke lejuar prodhimin e miliona tonësh nanopartikulash çdo vit.

Mposhtja e kufizimeve

Të jesh në gjendje të prodhosh masivisht nanopartikula ka qenë një nga sfidat më të mëdha të prodhimit të nanoteknologjive në shkallë më të madhe. Kjo sepse shumica e nanopartikullave të përdorura në nanoteknologji mund të prodhohen vetëm përmes “kimisë së lagësht,” ose duke përdorur lëngje.

Mund të marrin orë duke punuar me lëngje në gota, duke i përzier, duke i ngrohur, pastaj duke i ndarë dhe centrifuguar vetëm për të marrë sasi të vogla materiali. Këto procese shpesh janë shumë të shtrenjta dhe shumë të rrezikshme për t'u shkallëzuar sa për t'u bërë një tregti e qëndrueshme.

Për shembull, pikë kuantike (nanoparticula të bëra nga materiale gjysmëpërçuese që kanë të dyja vetitë optike dhe elektrike) — zbulimi i të cilit u festua nga Çmimi Nobel për Kimi në vitin 2023. Këto kanë potencialin të revolucionarizojnë shumë teknologji — duke përfshirë qelizat diellore, kapjen e karbonit dhe agjentët kontrastues të përdorur në imazherinë mjekësore.

Megjithatë, pikë kuantike vështirë se përdoren në atë teknologji në shkallë të gjerë sepse kostoja e ndalueshme e prodhimit të tyre përmes kimisë së lagësht mund të jetë deri në 45,000 dollarë amerikanë për gram.

Por ndryshe nga kimia e lagësht, zjarri është i thjeshtë, i lirë, i shkallëzueshëm dhe befasisht i sigurt. Pra, kur zhvillohen procese që lejojnë prodhimin e nanopartikulave me vlerë të lartë, si pikë kuantike, me zjarr, kostot bien ndjeshëm dhe ato bëhen menjëherë të shkallëzueshme dhe potencialisht tërheqëse për industrinë.

Zjarri gjithashtu mund të prodhojë grimca të dëmshme dhe produkte anësore.

Për shembull, nëse vendosni një napë në përpara të shkarkimit të makinës suaj, do të grumbullohet aty gjë e zezë. Kjo mbetje e zezë është grimca tymi të prodhuara nga zjarri që digjet brenda motorit. Në të njëjtën mënyrë, pirja e cigareve shkakton formimin dhe grumbullimin e tymit në mushkëri të duhanxhiut, shpesh duke shkaktuar kancer.

Tymi është gjithashtu, sipas disa vlerësimeve, tre ndihmësi më i lartë në ngrohjen globale pas dioksidit të karbonit dhe metanit. Megjithatë, ato vlerësime mund të nënvlerësojnë në fakt kontributin e vërtetë të tymit në efektet e gazrave serrë.

Teknologjia e pyrolyzës me shpërndarje flakë është gjithashtu përdorur për të simuluar kushtet e djegies për të studiuar më saktë ndikimin e tymit të gjeneruar, por edhe për të testuar ndryshimet në proces që mund të eliminojnë pothuajse plotësisht emetimet e tymit. Për shembull, një studim përdori pyrolyzën me shpërndarje flakë për të treguar se injektimi i ajrit pas djegies së naftës së avjonit mund të zvogëlojë emetimin e tymit më shumë se 90 për qind. Pyrolyza me shpërndarje flakë mund të vazhdojë të jetë një mjet i dobishëm në kërkimin e ndikimeve të ndotjes.

E ardhmja e nanopartikullave

Por jo të gjitha nanopartikulat mund të prodhohen nga zjarri. Si i tillë, hulumtimi që eksploron receta dhe procese të reja për të bërë nanopartikula me vlerë të lartë që ende nuk janë të mundura për t'u bërë me zjarr mund të ketë një ndikim të madh.

Për shembull, një fokus kryesor i punës sime aktuale është të eksploroj mundësinë e përdorimit të zjarrit për të bërë grafen. Grafeni është materiali më i fortë i njohur në shkallë nano. Puna ime e mëparshme tregon se duke përdorur dritë ultravjollcë, grafeni mund të transformohet në struktura të fuqishme makroskopike — ndoshta duke lejuar që të përdoret në printimin 3D.

Për më tepër, ekziston një potencial i madh i papërdorur në nanomedicinë për të integruar nanopartikulat që tashmë janë të mundura për t'u bërë me zjarr. Vetëm rreth 30 lloje nanopartikullash janë të miratuara nga Administrata e Ushqimit dhe Barnave të SHBA — si ato të përdorura në vaksinat COVID-19, si dhe nanopartikula bazë hekuri të përdorura për trajtimin e anemisë dhe sëmundjeve të veshkave.

Të gjitha ato nanomedikamente të miratuara jepen përmes injeksioneve. Kjo lë shumë hapësirë për eksplorimin e përfitimeve të nanopartikujve inorganikë në mjekësi — veçanërisht terapetikët e administruar oralshëm.