اصطلاح “نانورس” به نانوذرات دوستدار محیط زیست و سیلیکات های معدنی لایه ای اشاره دارد که می توانند به طور بهینه برای سیستم های نانوکامپوزیت با فرآیندهای کم هزینه استفاده شوند.
این گروه از مواد را به دلیل مورفولوژی لایه‌ای، که در آن لایه‌ها توسط نیروهای واندروالس در کنار هم نگه داشته می‌شوند، عموماً فیلوسیلیکات نامیده می‌شوند.
در واقع، ساختار فیلوسیلیکات ها از لایه های چهار وجهی [SiO4] ، لایه های هشت وجهی [AlO3(OH)3] و یون هایی مانند Na+، K+ و Ca+ تشکیل شده است که در بین آنها قرار گرفته اند.
نانورس ها را می توان با استفاده از واکنش تبادل یونی خاک رس های آبدوست با یک کاتیون آلی مانند آلکیلامونیوم یا فسفونیوم تهیه کرد.
در این فرآیند، یون‌های کوچک(مانند یون‌های سدیم) با یون‌های آلی جایگزین می‌شوند. این واکنش تبادل یونی، اولاً منجر به افزایش فاصله بین لایه‌های مجاور می‌شود و ثانیاً منجر به تغییر در خواص سطحی لایه‌ها می‌شود که از آبدوست به آبگریز یا آلی دوست (یعنی میل ترکیبی به ترکیبات آلی) تبدیل می‌شوند.
این مواد از نظر ترکیب شیمیایی و مورفولوژی به شش دسته مونت موریلونیت، بنتونیت، کائولینیت، هکتوریت، هالویزیت و نانورس های آلی اصلاح شده (ارگانورس) طبقه‌بندی می‌شوند.
- مونت موریلونیت (MMT) نوعی نانورس است که بیشتر برای تولید نانوکامپوزیت ها استفاده می شود. یک کانی بسیار نرم است که از بلورهای میکروسکوپی آلومینوسیلیکاتها تشکیل شده است. فاصله بین سطحی در MMT در محدوده نانومتر متفاوت است و چندین ویژگی متمایز را به همراه دارد که یافتن آنها در هر ماده طبیعی دیگر دشوار است. ذرات MMT دارای سطح وسیعی هستند که امکان واکنش پذیری بالاتر آنها را با رزین ها و پلیمرها فراهم می کند.
2. بنتونیت ، یک فیلوسیلیکات آلومینیوم است که مدتهاست برای اهداف زیادی استفاده می شود. همچنین به دلیل اثرات درمانی آن بر روی برخی از بیماری ها و زخم های گوارشی و همچنین توانایی آن در جذب فلزات سنگین، باکتری ها و عوامل ضد تغذیه شناخته شده است. این ماده معدنی به طور گسترده در صنایع مختلف به ویژه به عنوان حامل در صنایع دارویی و مکمل استفاده می شود.
بنتونیت یک خاک رس ریزدانه حاوی حداقل 85 درصد مونتموریلونیت یا مواد معدنی گروه اسمکتیت (گروهی) است.
به طور کلی، دو نوع بنتونیت وجود دارد: بنتونیت متورم (بنتونیت سدیم) و بنتونیت غیر متورم (بنتونیت کلسیم). جذب یونی، شکل پذیری، انبساط و انقباض بنتونیت سدیم بیشتر از بنتونیت کلسیم است.
بنتونیت متورم می تواند آب را جذب کند و چندین برابر حجم طبیعی خود گسترش یابد به طوری که به ژل چسب تبدیل شود. این نوع بنتونیت معمولاً در سیالات حفاری و دوغاب برای دیوارها استفاده می شود.
3. کائولینیت یک کانی رسی لایه لایه است که در زیر کانی های صنعتی طبقه بندی می شود. در این کانی رسی، هر لایه سیلیس چهاروجهی از طریق اتم های اکسیژن به لایه های آلومینا هشت وجهی متصل می شود.
کانی‌های مشابه کائولینیت، از جمله ایلیت، هالویزیت و دیکیت، با واکنش‌های شیمیایی منحصربه‌فرد خود در هنگام تابش اشعه ایکس قابل شناسایی هستند. کائولینیت عمدتاً برای تولید ورقه های کاغذی، سرامیک، خمیر دندان، محصولات آرایشی و بهداشتی و ضد آفتاب استفاده می شود. همچنین به عنوان یک اصلاح کننده رئولوژی در چسب ها مورد استفاده قرار می گیرند.
4. هکتوریت یک کانی رسی کمیاب است. این ماده معدنی نرم با خاصیت روان کنندگی خوب است و کاربرد اصلی آن در صنعت داروسازی میباشد.
5. هالوی سایت هالویزیت یک کانی رسی لایه‌ای است که از لایه‌های سیلیس و آلومینا با مولکول‌های آب در بین آنها تشکیل شده است و معمولاً مورفولوژی نانولوله‌های چند جداره را دارد. این نوع از نانورس به طور گسترده به عنوان پرکننده در نانوکامپوزیت ها و همچنین پشتیبانی کاتالیزور استفاده می شود.
ساختار کریستالی نانولوله های هالویزیت
6. ارگانورس ها دسته خاصی از نانومواد هیبریدی آلی – معدنی هستند که پتانسیل زیادی برای استفاده به عنوان اصلاح کننده رئولوژی، جاذب گاز و حامل دارو نشان داده اند.
این نانومواد دارای مقاومت قابل توجهی در برابر آب، مقاومت در برابر رطوبت و همچنین مقاومت در برابر دمای بالا هستند و بنابراین می‌توان از آنها به عنوان مواد غلیظ کننده در گریس‌ها و روان‌کننده‌ها، محصولات آرایشی و بهداشتی و تصفیه‌کننده‌های آب استفاده کرد. با این حال، این گروه نانومواد بهترین عملکرد خود را هنگامی که در مقیاس نانو پراکنده می‌شوند، نشان می‌دهند که این امر مستلزم لایه‌برداری لایه‌های رسی است.
نانورس در پایگاه داده محصولات نانوتکنولوژی (NPD) تا آگوست 2020، 222 محصول مبتنی بر نانورس تولید شده توسط 125 شرکت مستقر در 25 کشور نظارت کرده است. این محصولات را می توان به 70 نوع مختلف دسته بندی کرد که در این میان اصلاح کننده های رئولوژی، نانوکامپوزیت ها، محیط های تصفیه آب، محصولات کارواش، گل حفاری و خمیردندان بیشترین سهم را دارند . این محصولات را می توان در حوزه های صنعتی زیر نیز طبقه بندی کرد: الکترونیک، پزشکی، ساختمان سازی، آرایشی و بهداشتی، محیط زیست، خودرو، انرژی های تجدیدپذیر، مواد غذایی، نفت و گاز، لوازم خانگی، کشاورزی، کالاهای ورزشی و چاپ.
خواص منحصر به فرد محصولات مبتنی بر نانورس
به طور کلی، کاربرد نانورس در محصولات تجاری باعث افزایش خواص مکانیکی آنها از جمله استحکام کششی، مقاومت در برابر ضربه، مدول یانگ، سفتی، مقاومت در برابر سایش، چقرمگی، اثر تیکسوتروپیک و اثر ضد افتادگی می‌شود.
سایر خواص فیزیکی افزایش یافته مشاهده شده در محصولات مبتنی بر نانورس عبارتند از: پایداری حرارتی، هدایت حرارتی، خواص ضد ته نشینی و ضد رسوب، پراکندگی اشعه ماوراء بنفش، نفوذپذیری در برابر گازها، مقاومت در برابر شعله، پایداری نور، اصلاح رئولوژی، افزایش طول عمر رنگ، کنترل ویسکوزیته، حذف آلودگی های سطحی، آب گریزی، و همچنین مقاومت در برابر روغن و گریس.
نانورس ها همچنین خواص شیمیایی محصولات تجاری مانند مقاومت شیمیایی در محیط های اسیدی یا قلیایی، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و رنگ پذیری را بهبود می بخشند. بر اساس NPD، نانورس ها همچنین می توانند خواص بیولوژیکی از جمله تجزیه پذیری زیستی، خواص ضد باکتریایی، ضد میکروبی و ضد قارچی را افزایش دهند.
