جستجو
فیلترها
بستن

پتانسیل استفاده از مواد پلیمری و فناوری نانو در کشاورزی*گروه توسعه‌گران صنایع پلیمر امیرکبیر

طبق آخرین گزارش های موجود، حدود 800 میلیون نفر از جمعیت جهان دچار فقر غذایی هستند. پیش بینی ها حاکی از آن است که تا پایان سال 2025 میلادی این تعداد به رقمی بالغ بر یک میلیارد نفر خواهد رسید و این بدان معناست که حفظ بشر در بلند مدت از خطر گرسنگی ، نیازمند توجه ویژه به توسعه پایدار و همه جانبه صنعت کشاورزی است. در این بین، علم پلیمر به عنوان یک فناوری بین رشته‌ای و پیشتاز در رفع مشکلات و کمبودها در بسیاری از عرصه‌های علمی و صنعتی، به خوبی جایگاه خود را در علوم کشاورزی و صنایع وابسته آن به اثبات رسانیده است. علم پلیمر با تلفیق فناوری نانو کاربردهای وسیعی در همه مراحل تولید، فراوری، نگهداری، بسته‌بندی و انتقال تولیدات کشاورزی دارد.
در ذیل به برخی از کاربرد های پلیمر به صورت خاص در صنعت کشاورزی می پردازیم:

 1- استفاده از سموم هوشمند :

امروزه مصرف بی‌رویه آفت‌کش‌ها مشکلات زیادی را ایجاد کرده‌اند. این مشکلات شامل اثرات سوء بر سلامت انسان (ایجاد مسمومیت‌های حاد یا بیماری‌های مزمن)، تأثیر بر حشرات گرده‌افشان و حیوانات اهلی مزارع و همچنین ورود این مواد به آب و خاک و تأثیر مستقیم و غیرمستقیم در این نظام‌های زیستی است. مصرف بی‌رویه آفت‌کش‌ها، محصولات کشاورزی را نیز به منبع ذخیره سم تبدیل می‌کند.
استفاده از سموم هوشمند در ابعاد نانو می‌تواند راه حل مناسبی باشد. سموم هوشمند به سمومی گفته می شود که به صورت مولکولی در کپسول های پلیمری جای گرفته اند این کپسول ها می توانند در ابعاد مختلف تهیه شوند و برای افزایش بازدهی ابعاد نانو انتخابی مناسب است. این کپسول ها قابلیت این را دارند تا در گیاه حرکت کنند و زمانی که به محل مناسب رسیدند موادی را که در داخل خود دارند آزاد کنند. رهایش سموم از داخل این کپسول ها می تواند بر اساس pH خاصی باشد که آن بخش از گیاه دارد به طوری که هنگام رسیدن کپسول پلیمری به آن محل به دلیل تغییر pH کپسول پلیمری دچار تغییر حالت شده (تخریب و یا تورم زنجیر ها) و در نتیجه مولکول های سم از داخل کپسول خارج شده و به داخل گیاه نقوذ می کند. کپسول ها می توانند به محرک های مختلفی پاسخ دهند از جمله تغییر دما، تغییر pH، تغییر خواص شیمیایی و یا فیزیکی بخشی از گیاه که سم باید بر آن اثر بگذارد.
در شکل 1 نمایی از کپسول پلیمری حاوی سموم کشاورزی و نحوه ی رهایش آن مشخص شده است.

 

کپسول های پلیمری حامل سموم و در ابعاد نانو، دارای خودتنظیمی نیز هستند، به این معنی که دارو فقط به میزان لازم به بافت گیاهی تحویل داده می‌شود. دقت در ردیابی بافت هدف و میزان اندک اما مؤثر دارو باعث می‌شود استفاده از سموم در کشاورزی به حداقل برسد.

2- حل بحران کم آبی در صنایع کشاورزی :
در جهان امروز، بخش کشاورزی به عنوان بزرگ‌ترین مصرف‌کننده آب شناخته شده است اما تنها یک سوم آب مورد استفاده در کشاورزی به صورت بهینه استفاده می‌شود. بخش كشاورزي بيش از 90 درصد از مصرف آب در كشور را به خود اختصاص مي دهد، به واسطه مشكلات ساختاري حاكم بر اين بخش ، روند رو به رشد جمعيت و مصرف مواد غذايي و به رغم فشار گسترده به منابع آب هاي زيرزميني كشور، كسري تراز بازرگاني اين بخش به بيش از 8 ميليارد دلار در سال 1392 رسيده است. بر اساس مطالعات انجام شده ، ايران در حال حاضر در وضعيت ( بحران شدید ) آب قرار داشته و با توجه به ثابت بودن منابع آبي، افزايش جمعيت و عدم توجه كافي به مديريت منابع آب تشديد شرايط نامطلوب منابع آبي كشور و تأثيرپذيري شاخص هاي امنيتي و اقتصادي امري اجتناب ناپذير خواهد بود. در حالي كه متوسط ميزان بارندگي سالانه در جهان 813 ميليمتر است ، ميزان بارندگي در منطقه خاورميانه و ايران به ترتيب 217 و 228 میلی متر بوده كه كمتر از يك سوم متوسط بارندگي جهان است .بررسي وضعيت مصرف آب به تفكيك بخش هاي اصلي نشان مي دهد كه در بيشتر مناطق جهان (به غير از قاره اروپا و آمريكا) بخش كشاورزي بيشترين سهم آب مصرفي را به خود اختصاص مي دهد . سهم آب مصرف شده در بخش كشاورزي در منطقه خاورميانه و قاره آفريقا به ترتيب 84 و 82 درصد است. در ایران 92 درصد آب مصرفی در بخش کشاورزی استفاده می شود. به‌کارگیری شیوه‌های نوین آبیاری با توجه به اهمیت کشاورزی در افزایش امنیت غذایی و تولید غذای سالم، ضروری است.
استفاده از هیدروژل‌های پلیمری، از جدیدترین شیوه‌های آبیاری در مناطق خشک و نیمه‌خشک است که به کمک آن می‌توان تا 50 درصد اتلاف آب آبیاری و در نتیجه مصرف آب را کاهش داد. هدف اصلی از افزودن هیدروژل های پلیمری به خاک، افزایش ظرفیت نگهداری آب و کاهش زمان های آبیاری است چرا این که این هیدروژل ها می توانند آب را در ساختار خود ذخیره کنند و به مرور زمان آن را در اختیار گیاه قرار دهند (شکل 2). کاربرد هیدروژل‌ها عاملی در جهت مصرف بهینه کودهای شیمیایی نیز هست چرا که آبیاری زیاد منجر به شسته شدن کود از بستر گیاه شده و در نتیجه مصرف کود شیمیایی را افزایش می دهد.

از جمله دیگر مزیت های هیدروژل های پلیمری می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- جلوگیری از نفوذ عمقی آفت کش ها و در نتیجه کاهش مصرف آفت کش در هر دوره ی زمانی
2- ارتقاء و بهبود بخشیدن وضعیت خاکدانه‌های خاک
3- نگهداری ساختمان خاک، کاهش وزن مخصوص ظاهری خاک، افزایش و تقویت وضعیت تخلخل، فراهم کردن رطوبت سطح خاک، بالا بردن نفوذپذیری خاک و افزایش دادن سرعت نفوذ آب در خاک
4- کاهش فرسایش خاک
5- استقرار بهتر گیاهچه‌ها و افزایش درصد جوانه‌زنی آن‌ها
6- افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی خاک و بهبود وضعیت تغدیه‌ای گیاه
7- حذف برخی آلاینده‌ها در خاک
با مدیریت صحیح آب و خاک و استفاده از فنون پیشرفته همانند کاربرد هیدروژل‌ها، می‌توان از بارندگی‌های پراکنده و سایر منابع محدود آب در امر حفظ و ذخیره آب در خاک استفاده کرد.

3- بسته بندی های زیست تخریب پذیر:
در دهه اخیر، با توجه به حجم انبوه زباله در بخش مواد غذایی - بالغ بر ۱۵۰ میلیون تن در سال - توجه دولت‌ها به سوی ابتکارات و سرمایه‌گذاری‌های فراوان برای کاهش این حجم انبوه و بازیافت آن جلب شده است.
پیش‌بینی می‌شود در نتیجه افزایش تقاضا برای مواد غذایی و میوه‌جات، زباله‌های حاصل از بسته‌بندی مواد غذایی افزایش یابد. با طراحی بسته‌بندی پلاستیکی یک‌بار مصرف - که قابل بازیافت نیز نیست - و ورود انبوه آن به بازار، زیان‌های جبران‌ناپذیری به محیط‌ زیست وارد شده است.
مواد نانوکامپوزیت، شامل یک نوع پلیمر با افزودنی نانوساختار، معمولاً به عنوان یک ترکیب زیست تخریب پذیر مورد استفاده قرار می گیرد. این ترکیب به علت وجود نانوذرات در ساختار خود به مرور زمان دچار تخریب می شود به گونه ای که در مدت 1 تا سه سال ساختار پلیمری که به عنوان عامل اصلی تخریب محیط زیست شناخته می شود به عناصر سازنده ی خود تجزیه شده و دیگر ضرری برای محیط زیست نخواهد داشت. در واقع باید گفت حضور نانو ذرات در کنار زنجیر های پلیمر کمک می کند تا این زنجیر ها که در حالت عادی سال ها ساختار خود را حفظ می کنند با سرعتی چند برابر دچار تخریب شده و از بین بروند

اصلی ترین نانو ذرات مورد استفاده در این ساختار ها نانو ذرات رس هستند که در انواع گوناگون عرضه می شوند. در حال حاضر، نانوکامپوزیت‌های پلیمری بازار بسته‌بندی مواد غذایی را دربرگرفته‌اند. البته نانوکامپوزیت‌های زیستی (سلولز و نانوفیبرها) و کامپوزیت‌های پلیمری اکسید فلزات نیز قابل توسعه و پرکاربرد هستند.در حال حاضر، در بازار کامپوزیت‌های پلیمری، نانوکامپوزیت‌ها با رقمی بالغ بر ۴ میلیارد دلار سریع‌ترین رشد را دارند. پیش‌بینی می‌شود این میزان تا ۴ سال آینده دو برابر شود.

زیست‌نانو‌کامپوزیت‌ها (نانو بیوکامپوزیت) پلیمر پایه ای که مورد استفاده قرار می گیرند به جای نفت و گاز،  از گیاهان استخراج می‌شوند و در بیشتر موارد این مواد زیستی از منابع موجود و قابل دسترس - مانند سلولز گیاهان یا از پسماندهای فرایند تولید مواد غذایی (مانند پالپ‌های پس‌مانده در تولید آب‌میوه) - به دست می‌آیند.

مواد زیست‌تخریب‌پذیر استحکام پایین و توانایی کمی در حفظ رطوبت دارند؛ این موضوع برای استفاده از آن‌ها در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی محدودیت ایجاد کرده است؛ زمانی می‌توان از آن‌ها استفاده کرد که در محصولات مورد نظر، ویژگی‌های استحکام و حفظ رطوبت اهمیت کمتری داشته باشد. برای گسترش کاربرد مواد زیست‌تخریب‌پذیر در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی نیاز به بهبود این مواد است.

4- استفاده از فناوری نانو در جوانه‌زنی بذر گیاهان:
یکی از کاربردهای فناوری نانو در کشاورزی، به‌کارگیری روش‌هایی است که از طریق آن درصد جوانه‌زنی بذر افزایش و زمان آن کاهش می‌یابد. رشد و توسعه گیاه از جوانه‌زنی بذر آغاز می‌شود که به‌دنبال آن رشد ریشه و خروج گیاهچه از خاک به‌عنوان اولین علائم رشد شناخته می‌شوند. بررسی‌های متعددی در مورد توانایی نانوذرات در نفوذ به دیواره سلولی گیاهان و عمل به‌عنوان یک سیستم هوشمند انتقال انجام شده است. انواع متفاوتی از نانوذرات گزارش شده‌اند که می‌توانند به دیواره سلولی نفوذ کنند. نفوذ در بذر به سبب ضخامت قابل توجه پوسته بذر پیچیده و سخت است. دلیل اصلی فعال‌سازی جوانه‌زنی به‌وسیله نانوذرات به نقش آن‌ها در فرآیند جذب آب به داخل جنین بذر مرتبط است. به‌طور کلی دو احتمال در مورد نقش نانوذرات در جوانه‌زنی مطرح است. یک احتمال این است که نانوذرات می‌توانند منافذ جدیدی را برای نفوذ آب در پوسته بذر ایجاد کنند و به این ترتیب سرعت جوانه‌زنی را افزایش دهند. احتمال دیگر با توانایی نانوذرات (به خصوص نانولوله‌های کربنی) در تنظیم کانال‌های آب موجود در پوسته بذر مرتبط است. یافته‌های محققان نشان می‌دهد که نانوذرات اثرات مثبت و منفی بر رشد و توسعه گیاهان دارند و تأثیر نانوذرات به ترکیب، غلظت، اندازه و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن‌ها و نیز به گونه‌های گیاه بستگی دارد و از گیاهی به گیاه دیگر متفاوت است.
5- استفاده از سلول های خورشیدی جهت تامین انرژی :
امروزه مواردی چون محدودیت ذخایر فسیلی، نگرانی‌های زیست ‌محیطی، ازدیاد جمعیت، رشد اقتصادی و ضریب مصرف سوخت از مباحثی هستند که فکر تمام اندیشمندان و سیاستمداران را در یافتن راهکارهای مناسب در حل معضلات انرژی به خود مشغول داشته است. انتظار می‌رود که منابع انرژی تجدید‌پذیر در سال ۲۰۵۰ حدود ۲۰ تا ۴۰ درصد و در سال ۲۱۰۰ حجمی‌ معادل ۳۰ تا ۸۰ درصد انرژی اولیه مورد نیاز دنیا را تأمین کنند. برآوردها نشان می‌دهد که کشورهای مختلف انرژی خورشید را به عنوان یکی از منابع اصلی تأمین‌کننده انرژی در آینده می‌دانند و بر این اساس از هم‌اکنون برنامه‌ریزی‌ها و فعالیت‌های گسترده‌ای در جهت گسترش کاربرد این انرژی در مصارف مختلف به انجام رسانده‌اند. در واقع، انرژی‌های نو هم‌اکنون در بسیاری از مناطق جهان به عنوان منابع پاک و ارزان تأمین انرژی برای راه‌اندازی تجهیزات در حوزه‌های مختلف استفاده می‌شوند . سلول‌های خورشیدی توسط تبدیلات انرژی فتوولتایی، انرژی نورانی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. در اغلب موارد، پلیمر های نیمه هادی به عنوان مواد مورد استفاده در سلول‌های خورشیدی به کار برده می‌شوند. انرژی‌ای که در سال از طریق خورشید به زمین می‌رسد حدود TW 120000 است و این در حالی است که انرژی مورد نیاز انسان در سال در حدود TW 13 است. طبق آخرین مطالعات انجام شده در مرکز هوا و فضای کشور آلمان، در سال ۲۰۵۰ ظرفیت نیروگاه‌‌های تجدید‌پذیر به TW 10 خواهد رسید. در حال حاضر بشر انرژی مورد نیاز خود را از مسیرهای گوناگونی تهیه می‌کند که در شکل 5 سهم هر یک ذکر شده است. همان طور که دیده می‌شود، سهم انرژی خورشیدی در تأمین انرژی مورد نیاز بشر در حدود % 6/0 است. اگر فقط 0/1 درصد از سطح زمین با مبدل‌های انرژی خورشیدی پوشیده شوند و تنها ۱۰ ٪ بازده داشته باشند، برای تأمین انرژی مورد نیاز بشر کافی است.

نور خورشیدی که به سطح زمین می‌رسد شامل این طول موج‌ها است: ۴۷ درصد فرو سرخ، ۴۶ درصد نور مرئی، ۷ درصد فرابنفش. از این‌رو سلول‌های خورشیدی باید در ناحیه فرو سرخ و نور مرئی جذب بالایی داشته باشند در کشور ما نیز از حدود سال ۱۳۷۰ تلاش‌ها و برنامه‌ریزی‌ها در جهت شناخت پتانسیل انرژی‌های نو و به‌ ویژه انرژی خورشید و کاربرد هر چه بیشتر آن‌ها آغاز شده است. ایران به دلیل قرار گرفتن در کمربند تابشی خورشید، از پتانسیل بالایی در زمینه بهره‌‌برداری از این موهبت خدادادی برخوردار است، به طوری که در ۹۰% خاک کشورمان بیش از ۳۰۰ روز آفتاب وجود دارد. کشور ایران در بین مدارهای 25 تا 40 درجه عرض شمالی قرار گرفته است و در منطقه‌ای واقع شده که به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در بالاترین رده‌ها در بین نقاط جهان است. میزان تابش خورشیدی در ایران بین 1800 تا 2200 کیلووات ساعت بر متر مربع در سال تخمین زده شده است که بالاتر از میزان متوسط جهانی است.
سلول های خورشیدی انواع متنوعی دارند برخی از این سلول ها از مواد معدنی ساخته شده اند که با وجود پایداری بالا و کاربرد فراوان، فرایند ساخت مشکلی داشته و هزینه ی بالایی نیز دارند. سلول های خورشیدی آلی علاوه بر ارزان بودن و روش ساخت ساده تر، وزن کمی داشته و پایداری اشان بسیار بالاست، ساخت این سلول ها سریع تر انجام می شود و با محیط زیست نیز سازگار هستند.
سلول های خورشیدی آلی از اجزای متنوعی ساخته شده اند از جمله: شیشه، ماده ی شفاف رسانا همچون ITO، پلیمر های شفاف هادی، لایه فعال، لایه ی متصل کننده و فلز (شکل 6).
پلیمر های مزدوج اصلی ترین مواد مورد کاربرد به عنوان لایه ی فعال در سلول های خورشیدی هستند که می توان به پلی (3-هگزیل تیوفن)، پلی فنیل وینیلن و پلی ‏(۳-متوکسی- ۵- (2-اتیل ‏هگزیل اکسی)-1و4- فنیلن وینیلن) اشاره کرد.

6- کود های شیمیایی:
فناوری نانو با تولید نسل جدیدی از کودها، تلاش دارد تا میزان کارایی این مواد را افزایش دهد. نانوکودهای کُند رَها (slow release) از طریق رهایش کنترل‌شده‌ و آرام عناصر غذایی می‌توانند کارآیی مصرف کودهای شیمیایی را افزایش دهند. استفاده از نانوذرات زیستی آلی و معدنی به عنوان پوشش کودهای کند رها نقش مهمی در مدیریت بهتر مصرف مواد شیمیایی کشاورزی، افزایش بهره‌وری اقتصادی و کاهش آلودگی زیست‌محیطی خواهد داشت. حاصلخیزی خاک، به معنی قابلیت خاک در تهیه عناصر غذایی ضروری برای رشد گیاه است بدون آنکه غلظت عنصر غذایی در خاک به حد سمیت برسد. از ابزارهای مهم برای افزایش حاصلخیزی خاک استفاده از کودها است. کاربرد مداوم و بیش از حد کودهایی چون نیتروژنه و فسفاته (به فرم نمک‌های آمونیومی، اوره، نیترات و یا ترکیبات فسفاته) در سال‌های گذشته، باعث بروز مشکلاتی در کشاورزی و محیط‌زیست شده است. کودهای کُند رَها می‌توانند راه حلی برای غلبه بر مشکلات بیان شده کودهای رایج شیمیایی باشند. استفاده از پتانسیل‌های فناوری نانو در تولید کودهای کندرها به عنوان راه‌حل مناسبی برای افزایش کارایی کودها، افزایش بهره‌وری اقتصادی و کاهش آلودگی محیط زیست مورد توجه است. تلاش در جهت تولید نانوکودهای کند رها به‌دلیل استفاده از مواد پوششی با خصوصیات ساختار سطحی مناسب‌تر و سازگار با محیط زیست، نقش مهمی در آینده این کودها خواهد داشت. تولید نانوکودهای کندرها سازگار با محیط زیست از طریق نانومواد پوششی معدنی همانند انواع کانی‌های لایه‌ای و پلیمرهای آلی طبیعی ( کیتوسان، دکستران و...) امکان‌پذیر است (شکل ۷).


 

 

 

کاربران محترم جهت غنی‌سازی مفاهیم، نظر خود را اعلام نمایند
آرشیو دانش‌نامه