در یک مطالعه مروری مشترک، چشمانداز تازهای از نسل هوشمند مواد نانویی حساس به نور معرفی شد؛ این پژوهش نشان میدهد که ترکیب مواد فوتواکتیو با ماتریسهای پلیمری از طریق روش الکتروریسی میتواند مسیر توسعه سامانههای چندمنظوره هوشمند را هموار کند، هر چند که همچنان چالشهایی مانند ایجاد پاسخپذیری چندگانه و طراحی مورفولوژیهای پیشرفته در مسیر توسعه صنعتی این فناوری باقی مانده است.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه محقق اردبیلی، دانشگاه صنعتی سهند و دانشگاه گنت بلژیک در یک مطالعه مروری گسترده، وضعیت کنونی و چشمانداز آینده الیاف نانویی پلیمری فوتورِسپانسیو تولیدشده با روش الکتروریسی را تحلیل و بررسی کردند؛ فناوریای که میتواند پایه طراحی نسل آینده مواد هوشمند نانوساختار باشد.
این تحقیق نشان میدهد که مواد پلیمری حساس به نور به دلیل قابلیت تحریکپذیری بالا، امکان کنترل زمانی و مکانی دقیق و سازگاری مناسب با کاربردهای زیستی، یکی از جذابترین حوزههای پژوهشی در علم مواد محسوب میشوند. حساسیت نوری در این سامانهها میتواند از طریق پدیدههایی مانند فلورسانس، فسفرسانس، تغییر رنگ نوری، تغییر ترشوندگی سطح، فوتوکاتالیز، اثرات فتودینامیکی، پاسخهای فتوترمال و حتی حافظه شکلی القاشده با نور بروز کند.
بخش نانویی این پژوهش بر استفاده از روش الکتروریسی برای تولید نانوبافتهای پلیمری تمرکز داشته است. الکتروریسی به عنوان یکی از روشهای کارآمد ساخت ساختارهای نانویی، امکان ایجاد الیافی با تخلخل بالا، سطح ویژه قابل تنظیم و استحکام مکانیکی مناسب را فراهم میکند. در این فرایند، ترکیب فیزیکی یا شیمیایی مواد فوتورِسپانسیو در ماتریس پلیمری موجب ایجاد ویژگی پاسخدهی نوری در سامانه نهایی میشود.
محققان در این مطالعه انواع مختلف مکانیسمهای پاسخ نوری را بررسی کردهاند. یکی از مهمترین سازوکارها در کاربردهای حسگری، تغییر شدت نشر فلورسانس شامل خاموشی، کاهش یا افزایش سیگنال نوری است. این مکانیسمها امکان شناسایی یونهای مختلف، تغییرات pH، گلوکز، رطوبت و گازها را فراهم میکند.
در حوزه امنیتی، استفاده از تغییرات رنگی، شدت روشنایی و الگوهای فلورسانس برنامهریزیشده به عنوان راهکارهای ضد جعل مورد توجه قرار گرفته است. پژوهشگران تأکید کردهاند که سامانههای تکسطحی امنیتی به راحتی قابل کپیبرداری هستند و توسعه الیاف نانویی چندلایه میتواند سطح حفاظت اطلاعات را افزایش دهد.
یکی از کاربردهای مهم فناوری مورد بررسی، حوزه بستهبندی هوشمند مواد غذایی است. در این کاربرد، از مکانیسمهایی مانند فوتوکاتالیز، تغییر قطبیت سطحی و انتشار کنترلشده نور برای تشخیص فساد مواد غذایی و افزایش ماندگاری محصول استفاده میشود. ترکیب مواد فوتواکتیو مانند آذوبنزن، اسپیرپیران، رودامین، فلوئورسئین، کورکومین، نفتالیمید، اکسازولیدین و همچنین نانومواد معدنی نظیر TiO₂ و α-WO₃ در طراحی این سامانهها نقش مهمی دارد.
در کاربردهای زیستپزشکی، پاسخهای فوتوترمال، تغییر ترشوندگی سطحی و قابلیت فعالیت ضد میکروبی نوری به عنوان مسیرهای اصلی توسعه معرفی شدهاند. فناوری فوتودینامیک القاشده با نور نیز میتواند در درمان زخم و حذف عوامل میکروبی مقاوم مورد استفاده قرار گیرد. همچنین سامانههای مبتنی بر تغییر قطبیت سطحی و فوتوفلوئیدیزاسیون برای طراحی غشاهای هوشمند مورد توجه قرار گرفتهاند.
یکی از نکات برجسته این پژوهش، پیشنهاد استفاده از مورفولوژیهای پیشرفته الیاف نانویی مانند ساختارهای هسته-پوسته، لایهبهلایه، نانوالیاف توخالی و ساختارهای برسمانند است. این معماریهای پیچیده امکان ادغام چندین پاسخپذیری محرکمحور را در یک سامانه واحد فراهم میکنند.
محققان تأکید کردهاند که یکی از چالشهای اصلی این حوزه، محدود بودن پاسخ عملکردی در بسیاری از سامانههای فعلی است. در کاربردهای حسگری، اغلب نانوالیاف تنها قادر به شناسایی یک یا دو نوع یون هستند، در حالی که کاربردهای عملی نیازمند تشخیص همزمان چندین آلاینده است.
برای رفع این محدودیت، توسعه مواد چندپاسخپذیر پیشنهاد شده است. ترکیب پاسخ نوری با پاسخهای حرارتی، مغناطیسی یا الکتریکی میتواند نسل جدیدی از مواد هوشمند را ایجاد کند. چنین سامانههایی میتوانند در حوزههایی مانند حسگرهای پیشرفته، محرکهای هوشمند و پوششهای چندمنظوره کاربرد پیدا کنند.
در بخش آیندهپژوهی، این مطالعه بر ادغام پاسخپذیری نوری با قابلیتهای حافظه شکلی، خودترمیمی و سیستمهای دارورسانی هوشمند تأکید کرده است. استفاده از ترکیباتی مانند کومارین، سینامیک اسید و آنتراسن میتواند امکان ایجاد پیوندهای شیمیایی برگشتپذیر را فراهم کند. این ترکیبات تحت تابش نور قادرند شکل موقت ساختار را تثبیت کرده و در صورت آسیب مکانیکی، بخشهای تخریبشده را ترمیم کنند.
به گفته پژوهشگران، سامانههای مبتنی بر حافظه شکلی القاشده با نور میتوانند در طراحی ایمپلنتهای زیستی و دارورسانی کنترلشده نیز کاربرد داشته باشند. در این ساختارها، تابش نور موجب آزادسازی هدفمند دارو یا فعالسازی عملکرد ترمیمی ماده میشود.
تحلیل کلی پژوهش نشان میدهد که الیاف نانویی فوتورِسپانسیو میتوانند نقش مهمی در توسعه مواد چندمنظوره آینده داشته باشند. ویژگیهایی مانند سطح ویژه بالا، انعطافپذیری ساختاری، قابلیت طراحی عملکردی و امکان ترکیب چند پاسخپذیری در یک سامانه واحد، این فناوری را به یکی از مسیرهای مهم تحقیقات مواد پیشرفته تبدیل کرده است.
با وجود دستاوردهای علمی قابل توجه، محققان تأکید کردهاند که توسعه کاربرد صنعتی این فناوری نیازمند مطالعات بیشتر درباره پایداری بلندمدت، مقیاسپذیری تولید و بهینهسازی هزینه ساخت است.