به گزارش پردیسان آنلاین، نانوحباب‌ها (Nanobubbles) حباب‌های بسیار ریز گازی هستند که قطر آنها کمتر از ۲۰۰ نانومتر است؛ یعنی در حدود ۲۵۰۰ برابر کوچک‌تر از یک دانه ریگ، این ساختارهای فوق‌ریز که به‌طورمعمول حاوی گازهایی همچون اکسیژن، اوزون یا دی‌اکسیدکربن‌اند، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی ویژه‌ای دارند که آنها را از حباب‌های مرسوم متمایز می‌کند. برخلاف حباب‌های بزرگ که سریع به سطح مایع صعود و ناپدید می‌شوند، نانوحباب‌ها در مایع معلق می‌مانند و می‌توانند برای هفته‌ها یا حتی ماه‌ها پایدار باقی بمانند؛ پایداری آنها تا حد زیادی ناشی از بار الکتریکی سطحی است که از ترکیدن یا ادغام سریع جلوگیری می‌کند. بازار جهانی نانوحباب از سال ۲۰۲۵ رشد قابل‌توجهی را تجربه می‌کند؛ ارزش بازار در سال ۲۰۲۵ حدود ۱۸۶.۳ میلیون دلار برآورد شده و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۲ به ۵۴۹.۲ میلیون دلار برسد (با نرخ رشد سالانه مرکب ۱۶.۷ درصد).
مقایسه حباب‌های مختلف: خصوصیات و کارایی
اصول و روش‌های تولید
نانوحباب‌ها نسبت سطح به حجم بسیار بالا دارند، بنابراین سطح گسترده‌ای برای تبادل و واکنش با محیط فراهم می‌کنند؛ همین ویژگی موجب افزایش کارایی در انتقال گاز می‌شود. از جمله روش‌های رایج تولید نانوحباب گذار سریع مایع (hydrodynamic cavitation) در دستگاه ونتوری و نیز کاویتاسیون صوتی (ultrasonic cavitation) است. در حال حاضر نزدیک به ۲۸ درصد از بازار تولید نانوحباب به روش ونتوری اختصاص دارد، چرا که این روش قادر است نانوحباب‌های پایدار و عملکردی تولید کند، نانوحباب‌ها در انتقال اکسیژن عملکرد بالایی دارند (کارایی نزدیک به ۸۶ درصد در مقایسه با تقریباً ۲۸ درصد برای حباب‌های معمولی) که علت آن افزایش زمان تماس و سطح تبادل بین گاز و مایع است.
۱. تصفیه و درمان آب
یکی از مهم‌ترین کاربردهای نانو حباب‌ها درمان آب‌های شهری و صنعتی است، پژوهش‌های انجام‌شده نشان می‌دهد که نانو حباب‌ها می‌توانند اکسیژن محلول را دو برابر افزایش دهند، نتایج یک مطالعه بر روی آب‌های پسماند خانگی، نشان داده است که میزان اکسیژن شیمیایی (COD) از ۳۹۹ میلی‌گرم بر لیتر به زیر حد تشخیص کاهش پیدا کرد است، همچنین استفاده از نانو حباب‌ها منجر به صرفه‌جویی انرژی حدود ۸۰ درصد می‌شود.
۲. کشاورزی و هیدروپونیک
در حوزه کشاورزی، نانو حباب‌ها اکسیژن در آب آبیاری را افزایش می‌دهند و رشد گیاهان را تسریع می‌کنند، نتایج تحقیقاتی ایندی‌پندنت و مطالعات تجاری نشان می‌دهند که آبیاری با آب غنی‌شده از نانو حباب‌ها نتایج مثبتی درخصوص عملکرد محصولات و سلامتی ریشه‌ها دارد. کشاورزان گزارش کرده‌اند که نانو حباب‌ها در سیستم‌های گلخانه‌ای و هیدروپونیکی رشد سریع‌تر و عملکرد بیشتری را ایجاد می‌کند، علاوه بر این نانو حباب‌ها می‌توانند افزایش اکسیژن در خاک را تقویت کرده، آب و مواد غذایی را بهتر توزیع کنند و ریزارگانیسم‌های مفید را فعال کنند.
۳. آبزی‌پروری و پرورش ماهی
در صنعت آبزی‌پروری، تأمین اکسیژن مداوم بسیار حیاتی است؛ حباب‌های معمولی بیشتر اکسیژن را از دست می‌دهند پیش از اینکه ماهی‌ها بتوانند آن را استفاده کنند. نانو حباب‌ها این مشکل را حل می‌کنند زیرا به معلق‌ماندگی طولانی‌مدت منجر می‌شوند که این امر موجب می‌شود ماهی اکسیژن بیشتری استفاده کنند، یک شرکت فرانسه در صنعت آبزی‌پروری نروژ گزارش داده است که با استفاده از نانو حباب‌ها، نیاز به اکسیژن تا یک‌چهارم کاهش پیدا کرده است، همچنین نانو حباب‌ها در بهبود سلامتی ماهی‌ها و میگوها، کاهش بیماری‌ها و بهبود نسبت تبدیل خوراک موثر هستند.
۴. صنعت نیم‌رسانا
در صنعت الکترونیک و نیم‌رسانا، نانو حباب‌ها برای تمیزکردن ویفرهای سیلیکونی و سطوح دقیق استفاده می‌شوند، این فناوری می‌تواند ناخالصی‌ها را با ایجاد اثرات حفاری (cavitation effects) بدون آسیب‌رسانی به سطح حذف کند، استفاده از نانو حباب‌ها موجب کاهش وابستگی به مواد شیمیایی خطرناک و کاهش مصرف آب شده و با رویکردهای اکوفیندلی (یعنی شیوه‌ها و تصمیم‌هایی که در طراحی، تولید و بهره‌برداریِ یک فناوری یا فرایند به‌گونه‌ای اتخاذ می‌شوند که کمترین آسیب را به محیط‌زیست بزنند و در عین حال بازده و کارایی را حفظ یا بهبود دهند.) سازگار استف همچنین آلودگی را بهتر حذف می‌کند و کیفیت نهایی محصول را بهبود می‌بخشد.
۵. کاربردهای پزشکی و درمانی
نانو حباب‌ها دارای کاربردهای فوق‌العاده‌ای در حوزه پزشکی هستند، در تصویربرداری پزشکی، نانو حباب‌ها می‌توانند به عنوان عاملِ کنتراست‌کننده در سونوگرافی استفاده شوند، در درمان سرطان، پژوهش‌ها نشان داده‌اند که نانو حباب‌های اکسیژن می‌توانند رشد تومور را مهار کنند، همچنین نانو حباب‌ها برای تحویل دارویی (drug delivery) استفاده می‌شوند و می‌توانند عوامل درمانی را به‌طورمستقیم به سلول‌های هدف منتقل کنند.
سعید صالحی کارشناس نانوفناوری در گفت‌وگو با خبرنگار پردیسان آنلاین اظهار کرد: انوحباب‌ها را به‌طورمعمول به حباب‌هایی با قطر کمتر از ۵۰۰ نانومتر می‌دانند؛ اما آنچه اهمیت دارد نه به‌صرف عدد، که خواص فیزیکوشیمیایی متمایزی است که از این اندازه ناشی می‌شود. نسبت سطح به حجم بسیار بالا، فشار درونی بیشتر و بار سطحی منفی‌تری که بیشتر به‌دلیل جذب یونی روی سطح ایجاد می‌شود، موجب می‌شود نانوحباب‌ها در سیال رفتاری متفاوت از میکروحباب داشته باشند،
وی افزود: این خصوصیات منجر به پایداری غیرمنتظره‌ای می‌شود که تا مدت‌های طولانی می‌تواند نانوحباب‌ها را در حالت تعلیق نگه دارد؛ پایداری‌ای که برای انتقال جرم و واکنش‌های سطحی حیاتی است، از نظر کاربرد، این اندازه کوچک موجب می‌شود توانایی نفوذ به منافذ ریز و افزایش سطح تماس با مواد محلول به شکل قابل توجهی افزایش یابد؛ بنابراین نقش اندازه و بار سطحی در عملکرد نانوحباب‌ها تعیین‌کننده است. شواهد تجربی و مدل‌سازی نیز نشان می‌دهد که خواصی همچون نرخ حل‌شدن گاز، تشکیل رادیکال‌های آزاد در فرایند انفجار یا فروپاشی حباب و تعامل با سطوح جامد، همه به این مشخصه‌ها وابسته‌اند.
کارشناس نانو فناوری گفت: چند عامل کلیدی وجود دارد؛ نخست روش تولید نانوحباب که می‌تواند شامل سونوژناسیون، تزریق گاز تحت فشار به جریان مافوق صوت، و ژنراتورهای مکانیکی خاص باشد؛ هر روش توزیع اندازه و تراکم متفاوتی ایجاد می‌کند؛ دوم کیفیت آب یا سیال میزبان، وجود یون‌ها، مواد آلی و ذرات معلق، پایداری نانوحباب و نقش آنها در واکنش‌های سطحی را تغییر می‌دهد؛ سوم پارامترهای فرایندی همچون دما، فشار و نرخ جریان. کنترل این پارامترها و مانیتورینگ پیوسته با ابزارهای اندازه‌گیری مناسب (نظیر DLS، روش‌های نوری و اندازه‌گیری DO و kLa برای اکسیژن) برای اطمینان از عملکرد پایدار ضروری است، طراحی اقتصادی و نگهداری تجهیزات باید به‌گونه‌ای باشد که هزینه انرژی تولید نانوحباب و نگهداری سیستم، با بازدهی فرایند همخوانی داشته باشد؛ مطالعات بهبود نرخ انتقال اکسیژن را به‌عنوان معیاری برای محاسبه بازگشت سرمایه پیشنهاد کرده‌اند.
صالحی بیان کرد: بیشترین پیاده‌سازی‌های پایلوت و مطالعات عملی در سه حوزه است؛ تصفیه آب و فاضلاب، کشاورزی (آبیاری و تولید گلخانه‌ای) و صنایع غذایی، در تصفیه آب افزایش راندمان فرآیندهای بیولوژیک و حذف آلاینده‌ها گزارش شده است؛ برخی مطالعات آزمایشگاهی نشان داده‌اند که انتقال اکسیژن می‌تواند چندین برابر حالت عادی افزایش یابد که به‌طورمستقیم به بهبود عملکرد بیوراکتورها منجر می‌شود.
وی ادامه داد: در کشاورزی، آزمایش‌ها روی گیاهان مختلف نشان داده که آب غنی‌شده با نانوحباب می‌تواند جوانه‌زنی، طول ریشه و تولید بیومس را افزایش دهد که این امر به کاهش مصرف آب و کود کمک می‌کند، در صنایع غذایی نیز از نانوحباب‌ها برای بهبود شست‌وشو و نگهداری کیفیت محصولات استفاده شده است. البته باید تأکید کنم بسیاری از این نتایج در مقیاس آزمایشگاهی یا پایلوت حاصل شده‌اند و مطالعات بلندمدت اقتصادی و زیستی برای اثبات قطعی مزایا نیاز است.
صالحی: از منظر زیست‌محیطی، نانوحباب‌ها خود گازی در آب‌اند؛ اما اثرات ثانویه می‌تواند از طریق تغییر در اکسیداسیون سطحی، تولید گونه‌های واکنشی اکسیژن (ROS) و تغییر در زیست‌پوشش‌های میکروبی پدید آید. اگرچه این ویژگی‌ها برای حذف آلاینده‌ها مفیدند، اما ممکن است به اکوسیستم‌های غیرهدف آسیب بزنند؛ بنابراین ارزیابی ریسک زیستی و مطالعات دشوارِ اثرات در بلندمدت ضروری است. در حوزهٔ بهداشت و صنایع غذایی، باید استانداردهای واضحی برای غلظت حباب‌ها، نوع گاز مورد استفاده و میزان تماس با محصولات تعریف شود تا از مخاطرات احتمالی جلوگیری گردد. از سوی دیگر، مزایای کاهش مواد شیمیاییِ اکسیدکننده باید در مقابل ریسک‌های زیستی سنجیده شود و رویکردهای مدیریتی شامل پایلوت‌های کنترل‌شده، مانیتورینگ زیستی و تدوین چارچوب‌های مقرراتی پیشنهادی است.
کارشناس نانوفناوری تاکید کرد: چند شکاف کلیدی وجود دارد: اندازه‌گیری و استانداردسازی توزیع اندازه و تراکم نانوحباب در شرایط صنعتی؛ مدل‌سازی دقیق‌تر تعاملات نانوحباب-ذره-سطح در محیط‌های پیچیده؛ مطالعات بلندمدت روی ثبات و تبدیل‌های شیمیایی که ممکن است موجب تولید محصولات جانبی مضر شوند؛ و ارزیابی اقتصادی مقیاس‌پذیری، همچنین نیاز به مطالعات بین‌رشته‌ای در حوزه مواد، شیمی سطح، میکروبیولوژی و مهندسی فرایند وجود دارد تا فناوری‌های تولیدی با هزینهٔ انرژی پایین‌تر و نگهداری آسان‌تر توسعه پیدا کند، سرمایه‌گذاری در شبکه‌های آزمایشگاهی ملی و پایلوت‌های صنعتی می‌تواند مسیر انتقال فناوری از آزمایشگاه به خط تولید را تسریع کند.
صالحی تصریح کرد: اول شناسایی شاخص‌های عملکرد کلیدی (KPIs)( همچون نرخ انتقال اکسیژن (kLa)، کاهش COD/BOD یا افزایش بازده محصول) و اجرای آزمایش‌های پایلوت با داده‌برداری دقیق؛ دوم تحلیل هزینه-فایده جامع که شامل هزینه نصب، انرژی مصرفی، هزینه نگهداری و صرفه‌جویی احتمالی در مواد شیمیایی باشد؛ سوم توجه به مقررات زیست‌محیطی و ایمنی؛ و در نهایت انتخاب شرکای فناور و مشاوران علمی جهت طراحی آزمایش‌های کنترل‌شده. ریسک را می‌توان با اجرای برنامه‌های پایلوت مرحله‌ای، تهیه سناریوهای فنی-اقتصادی و سرمایه‌گذاری تدریجی کاهش داد. اشاره‌کنم که مطالعات نشان داده‌اند در برخی موارد، افزایش کارایی انتقال اکسیژن تا چندین برابر می‌تواند بازگشت سرمایه را در پروژه‌های تصفیه آب تسریع کند، اما این عدد تابع شرایط خاص فرایند است.
وی خاطرنشان کرد: نانو حباب‌ها از نظر اقتصادی و محیط‌زیستی مزایای بسیاری دارند، کاهش مصرف انرژی یکی از مهم‌ترین مزایا است؛ نانو حباب‌ها انتقال گاز را با کمترین مصرف انرژی انجام می‌دهند
، علاوه بر این، می‌توان مصرف مواد شیمیایی را کاهش داد، زیرا نانو حباب‌ها مکانیسم‌های تصفیه طبیعی را تقویت می‌کنند؛ صرفه‌جویی در هزینه‌ها نیز قابل‌توجه است؛ در صنعت آبزی‌پروری، کاهش مصرف اکسیژن و تولیدکننده‌ها موجب کاهش هزینه‌های عملیاتی می‌شود و در کشاورزی، کاهش مصرف آب و مواد شیمیایی موجب افزایش سود می‌شود؛ از نظر محیط‌زیستی، نانو حباب‌ها یک فناوری سازگار و پایدار هستند، مصرف کمتر انرژی منجر به انتشار کمتر گاز کربن‌دی‌اکسید می‌شود و کاهش مصرف مواد شیمیایی محیط‌زیست را محافظت می‌کند.
کارشناس نانوفناوری تصریح کرد: اگر پژوهش‌های بین‌رشته‌ای و پایلوت‌های صنعتی ادامه یابد، انتظار دارم نانوحباب‌ها به‌عنوان یک فناوری کمکی و در برخی موارد جایگزین در فرایندهای حساس محیطی و کشاورزی جایگاهی معنادار پیدا کنند. رشد در زمینه کاربردهای پزشکی نیز محتمل است؛ به‌ویژه نقش نانوحباب‌ها در دلیور دارو، تصویربرداری و تقویت اثرات درمانی موضوعاتی است که هم‌اکنون در مرحلهٔ تحقیق و توسعه است و می‌تواند در دهه آتی جلو رود. اما مقیاس‌پذیری اقتصادی و چارچوب‌های قانونی تعیین‌کنندهٔ واقعی میزان نفوذ آنها در بازار خواهند بود. در مجموع، پیشرفت‌های تکنیکی و ارزیابی‌های اقتصادی دقیق، مسیر این فناوری را مشخص خواهد کرد.
چالش‌ها و فرصت‌های آتی
به گزارش پردیسان آنلاین، اگرچه نانوحباب‌ها فناوری نوینی هستند، هنوز چند چالش مهم وجود دارد، هزینه‌های اولیه نصب و تهیه تجهیزات بالا است، هرچند در بلندمدت صرفه‌جویی‌های قابل‌توجهی امکان‌پذیر است، علاوه بر این نیاز به پژوهش‌های بیشتر برای توسعه کاربردهای جدید و بهبود عملکرد فناوری احساس می‌شود، در حال حاضر تحقیقات بر کاربردهایی همچون تصفیه آب، احیای آب‌های زیرزمینی و درمان‌های پزشکی پیشرفته متمرکز شده است، همچنین استفاده از هوش مصنوعی و اینترنت اشیا می‌تواند کنترل و بهینه‌سازی نانوحباب‌ها را بهبود بخشد.
نانوحباب‌ها نمادی از یک تحول فناورانه‌اند که پتانسیل حل مسائل زیست‌محیطی و صنعتی را دارند؛ از تصفیه آب گرفته تا درمان‌های پزشکی، کشاورزی و صنایع الکترونیک، رشد سریع بازار و افزایش، سرمایه‌گذاری‌کنندگان نشان می‌دهد سرمایه‌ها به آینده این فناوری باور دارند، با ادامه تحقیقات و ارتقای فناوری، انتظار می‌رود نانوحباب‌ها نقش مؤثری در حفاظت از محیط‌زیست و بهبود کیفیت زندگی ایفا کنند.
