نانو ذره نشاسته، تولید، کاربرد

ساختار نشاسته و اثر واکنش گرها

نشاسته، یکی از فراوان ترین پلی ساکارید ها و در عین حال ارزان است. این ماده دارای ساختاری گرانولی و نیمه کریستالی است. منظور از نیمه کریستالی این است که ساختار گرانول دارای نواحی کریستالی و نواحی غیر کریستالی یا آمورف به صورت متناوب است. بر این اساس، ساختار گرانول، توده های منظم از نواحی کریستالی در ابعاد نانومتر دارد که درون توده نامنظم از زنجیره های آمیلوپکتینی و آمیلوزی قرار گرفته است. تفاوت عمده این دو ساختار در هم تنیده، نحوه واکنش آن به مواد شیمیایی است. موادی مانند آب و اسید ها در غلظت پایین و دمای محیط، امکان تاثیر گذاری بر نواحی کریستالی را ندارد. مشابه همین مساله در مورد آنزیم ها نیز وجود دارد. آنزیم های تجزیه کننده نشاسته در دمای معین، به دلیل تراکم ساختاری و پیوند های هیدروژنی قوی، تنها بر نواحی آمورف تاثیر گذار خواهد بود (نشاسته، ویژگی های صنعتی و محدودیت ها).

نانو ذره نشاسته

نشاسته در شکل طبیعی، ابعادی بین تقریبا 2 تا 100 میکرومتر است. محققان با اعمال روش هایی، اندازه گرانول را کاهش داده و ذراتی در ابعاد نانو را از ساختار اصلی جداسازی کرده اند (نشاسته سورگوم، همسویی با تغییرات اقلیمی). این نوع جداسازی اگر متمرکز بر نواحی کریستالی نشاسته باشد، نانو کریستال نشاسته نامیده شود. همانند سایر ساختار های نانو، به دلیل اندازه خیلی کوچک، ویژگی های خاصی در عملکرد این ذرات مشاهده می شود. احتمالا دلیل اصلی مشاهده ویژگی های عملکردی، افزایش نسبت سطح به حجم است که در مقدار کم ماده، سطح در دسترس زیادی را فراهم می کند. بر اساس روش تولید نانو ذره، شکل و ابعاد و همچنین نوع و شدت گروه های فعال اتصال داده شده، متفاوت خواهد بود. با توجه به اینکه نشاسته، یک منبع پایدار و ارزان است، انتظار می رود توسعه محصولات بر پایه نانو ذرات نشاسته، به یک روش پایدار و اقتصادی منتهی گردد.

تولید نانو ذره

به طور کلی، روش های تولید نانو ذره نشاسته به سه دسته شیمیایی، فیزیکی و آنزیمی تقسیم بندی می شود (چرا نشاسته واکسی پر مصرف است). در هر دو روش شیمیایی و آنزیمی، هدف، تجزیه نواحی آمورف و آزاد سازی نواحی کریستالی است. در روش های فیزیکی، با اعمال روش هایی مانند فشار بالا، آسیاب و امواج التراسونیک، گرانول نشاسته تخریب شده و نواحی کریستالی و غیر کریستالی جدا و متصل ایجاد می شود. با این حال، متداول ترین روش،َ روش هضم شیمیایی با اسیدهایی مانند اسید سولفوریک است. با اعمال اسید در غلظت و نسبت مشخص و طی چند روز، نواحی آمورف به واسطه هیدرولیز اسیدی هضم شده و نواحی کریستالی در محلول معلق می شود که با تکنیک هایی مانند سانتریفیوژ جداسازی می گردد. این روش، همچنین باعث اتصال گروه های اسیدی ناشی از واکنش در سطح نانو ذارت می شود که باعث ایجاد خواص عملکردی مانند ایجاد بار سطحی می گردد.

اصلاح شیمیایی و فیزیکی

اصلاح شیمیایی نانو ذرات نشاسته، عمدتا با هدف افزایش خواص آب گریزی یا چربی دوستی است. این مساله بر فعالیت سطحی نانو ذارت و افزایش فعالیت های امولسیون کنندگی و جذب یا دفع ترکیبات تاثیر گذار است. این روش ها، ممکن است با استفاده از محلول واکنشگر در راکتور و یا با روش هایی مانند پلاسمای سرد انجام شود.

کاربردها

امولسیون ها و میکروکپسول سازی: یکی از کاربرد های نانوذارت، افزایش پایداری سامانه های امولسیونی و میکروکپسول است. این ذرات به دلیل اندازه خیلی کوچک و ویژگی های آب دوستی و چربی دوستی، در سطح مشترک اب و روغن قرار گرفته و با مکانسیم های دافعه فیزیکی و دافعه الکترواستاتیک، پایداری قطرات و میکروکپسول را افزایش می دهد.  در این زمینه، محدودیت های دمایی فرایند امولسیون سازی باید با توجه به ویژگی های نانوذره طراحی شود.

فیلم های زیست تخریب پذیر: با هدف کاهش تولید و استفاده از فیلم ها و پوشش های پلاستیکی آلوده کننده محیط زیست، توسعه فیلم های زیست تخریب پذیر، به یک هدف جهانی تبدیل شده است. با این حال، این گونه مواد، از مقاومت فیزیکی پایین برخوردار هستند. استفاده از نانوذرات در این زمینه پیشنهاد شده است و تحقیقات برای استفاده از ظرفیت نانو ذرات نشاسته، در این زمینه در حال انجام است.

نانو سنسور ها: استفاده از نانوذرات نشاسته در طراحی نانوسنسورها، یکی از موضوعات مورد بحث محققان است.

جذب آلاینده ها: با توجه به نسبت سطح به حجم بالای نانو ذرات نشاسته و امکان افزودن گروه ها عاملی و مونومر های مختلف به سطح ذره، ویژگی های جذب آلاینده ها در این ذرات تقویت شده و پتانسیل خوبی در کاهش آلودگی مایعات دارد.