کاربرد هیدروژل ها و هیدروژل های نانوکامپوزیتی یکی از راهکارهای استفاده بهینه از منابع آب و حفظ آن می‌باشد.
استفاده از شیوه‌های نوین مدیریت زراعی در الگوی مصرف آب، همانند فناوری نانو، به منظور بهبود بهره‌برداری از منابع محدود آبی و افزایش راندمان آبیاری ضروری می‌باشد.
این مواد موجب افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک، افزایش نفوذپذیری خاک، افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی، بهینه‌سازی مصرف آب و کاهش هزینه‌های آبیاری می‌گردد.
سنتز هیدروژل های نانوکامپوزیت منجر به تولید هیدروژل هایی با خصوصیات مکانیکی بهتر و افزایش استحکام ژل شده است.
بنابراین استفاده از پتانسیل‌های فناوری نانو می‌تواند کارایی هیدروژل های معمول را در زمینه‌های مختلف از جمله کشاورزی افزایش دهد.
دسترسی به منابع آب برای تولید محصولات کشاورزی بسیار مهم است.
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.
به‌کارگیری شیوه‌های نوین آبیاری با توجه به اهمیت کشاورزی در افزایش امنیت غذایی و تولید غذای سالم، ضروری است.
کاربرد هیدروژل‌ها و هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی، جدیدترین شیوه‌های آبیاری در مناطق خشک و نیمه‌خشک است که به کمک آن می‌توان تا ۵۰ درصد اتلاف آب آبیاری و در نتیجه مصرف آب را کاهش داد.
هیدروژل (hydrogel)
هیدروژل ها شبکههای سه بعدی از زنجیره‌های پلیمری هستند که با اتصالات عرضی از طریق واکنش ساده یک یا چند نوع مونومر ایجاد می‌شوند و توانایی بالایی برای جذب و نگهداری آب دارند.
قابلیت هیدروژل ها برای جذب آب از گروه‌های عاملی آبدوستی همانند COONa،OH، NH۲،COOH ،SO۳H و … که به زنجیره پایه اتصال یافته‌اند، به‌وجود می‌آید؛ در حالی‌که نامحلول بودن‌شان در آب به دلیل اتصالات عرضی بین زنجیره‌های اصلی است.
براساس تعادل ترمودینامیکی در هیدروژل ها، هنگامی‌که پتانسیل شیمیایی آب در محیط بیشتر از هیدروژل باشد، نفوذ آب از محیط به داخل این مواد صورت گرفته که این عمل جذب آب، باعث تورم این پلیمرها تا چندین برابر حجم اولیه خواهد شد.
هنگامی‌که پتانسیل شیمیایی آب در هیدروژل بالاتر از محیط باشد، نفوذ آب از هیدروژل به سمت محیط اطراف بوده و یا به عبارت دیگر، عمل واتورم صورت می‌گیرد و آب به محیط منتقل می‌شود.
این پدیده با انقباض هیدروژل همراه است. این خاصیت باعث شده است که از این مواد به منظور حفظ رطوبت خاک استفاده شود.
دستهبندی هیدروژل‌ها
هیدروژل‌ها می‌توانند منشاء طبیعی یا سنتزی داشته باشند.
هیدروژل‌های طبیعی می‌توانند شامل گروه‌های پلی‌ساکاریدی (کیتوزان، آلژینات، هیالورونیک اسید و دکستران)، هیدروژل‌های بر پایه پروتئین (فیبرین، کلاژن و ژلاتین) و هیدروژل‌های برپایه DNA باشند.
هیدروژل طبیعی به دلیل زیست‌سازگاری، ارزان بودن، تنوع و گستردگی آنها مورد توجه هستند .
به مرور زمان هیدروژل‌های سنتزی به دلیل ظرفیت بالاتر جذب آب، عمر طولانی و طیف گسترده‌ای از منابع شیمیایی، جایگزین هیدروژل‌های طبیعی شدند.
پلیمرهای طبیعی در کمتر از دو ساعت به‌طور کامل هیدراته می‌شوند، در حالی‌که هیدراته شدن کامل پلیمرهای سنتزی در حدود شش ساعت و یا بیشتر به طول می‌انجامد.
براساس روش تهیه، هیدروژل‌ها می‌توانند در دسته‌های هموپلیمری (Homopolymeric)، کوپلیمری (Copolymeric) و مولتی پلیمری (multipolymer) طبقه‌بندی شوند.
در هیدروژل هموپلیمری، شبکه پلیمری تنها از یک نوع مونومر حاصل می‌شود.
هیدروژل‌های کوپلیمری از دو یا چند نوع مونومر متفاوت تشکیل شده‌اند و به‌طور تصادفی یا بلوکی یا متناوب در شبکه پلیمر آرایش می‌یابند.
مولتی‌پلیمر یا هیدروژل پلیمری درهم‌تنیده که دارای دو جز پلیمری طبیعی یا سنتزی می‌باشند .
دستهبندی هیدروژل‌ها با توجه به ساختار فیزیکی (Configuration) به‌صورت آمورف (بی‌شکل)، نیمه‌کریستال و کریستالی می‌باشد.
نوع اتصالات عرضی (cross-linking) بین مونومرها می‌تواند به‌صورت فیزیکی یا شیمیایی باشد.
اتصالات فیزیکی بین پلیمرها می‌تواند با استفاده از برهمکنش‌های غیر‌کووالانسی مانند برهمکش‌های هیدروفوبیکی، یونی، پیوند هیدروژنی و یا ترکیبی از این‌ها باشد.
ایجاد اتصالات شیمیایی از طریق پیوندهای کووالانسی بین زنجیره‌های پلیمری حاصل می‌شود و شبکه هیدروژلی ایجاد شده معمولاً به فشارهای مکانیکی نسبت به شبکههای اتصال یافته به صورت فیزیکی مقاوم‌تر است .
در شکل (۱) نمای شماتیکی از انواع هیدروژل‌ها با اتصالات عرضی به‌صورت شیمیایی یا فیزیکی نشان داده شده است.
براساس روش پلیمریزاسیون (Polymerization) در فرآیند تهیه، هیدروژل‌ها می‌توانند به صورت ماتریکس(matrix)، فیلم (film) و یا کره‌ای (sphere) باشند.
شکل۱- نمای شماتیک از مکانیسم¬های تشکیل هیدروژل براساس اتصالات عرضی مونومرهای سازنده پلیمر
طبقه‌بندی براساس وجود بار الکتریکی به‌صورت هیدروژل غیریونی (خنثی)، یونی (آنیونی یا کاتیونی)، آمفوتریک (دارای هر دو گروه عاملی اسیدی و بازی)، زویتریونی(Zwitterionic) (دارای هم گروه عاملی آنیونی و هم کاتیونی در واحدهای سازنده) می‌باشد.
Addition of a Crosslinker: اضافه شدن یک اتصال‌دهنده عرضی،
polycation: پلی کاتیون،
addition of a polyanion: اضافه کردن یک پلی آنیون،
hydrophobic aggregate: تجمع هیدروفوبیکی،
polyion complex : کمپلکس پلی یونی،
electrostatic interaction : برهمکنش الکتروستاتیکی،
ion-dipole: یونی-دو قطبی،
dipole-dipole : دو قطبی-دو قطبی،
hydrogen bond: پیوند هیدروژنی،
adjusting pH: تنظیم pH
کاربرد هیدروژل‌ها در کشاورزی
هدف اصلی از افزودن پلیمرهای هیدروژل‌ها به خاک، افزایش ظرفیت نگهداری آب و کاهش دور آبیاری است.
کاربرد هیدروژل‌ها عاملی در جهت مصرف بهینه کودهای شیمیایی است.
علاوه بر کودها، هیدروژل‌ها از نفوذ عمقی علف‌کش‌ها و آفت‌کش‌ها نیز تا حد زیادی جلوگیری می‌کنند.
هیدروژل ها با ارتقاء و بهبود بخشیدن وضعیت خاکدانه‌های خاک، نگهداری ساختمان خاک، کاهش وزن مخصوص ظاهری خاک، افزایش و تقویت وضعیت تخلخل، فراهم نمودن رطوبت سطح خاک، بالا بردن نفوذپذیری خاک و افزایش دادن سرعت نفوذ آب در خاک، موجب کاهش فرسایش و روان‌آب می‌شوند.
همچنین هیدروژل منجر به استقرار بهتر گیاهچه‌ها و افزایش درصد جوانه‌زنی آنها می‌شود.
علاوه براین منجر به افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی خاک و بهبود وضعیت تغدیه‌ای شده و همچنین در حذف برخی آلاینده‌ها در خاک موثر می‌باشند.
هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی (Hydrogel NanoComposite)
با وجود مزایای بسیار زیاد هیدروژل‌ها در کشاورزی و سایر زمینه‌ها، کاربرد آنها اغلب به خاطر قدرت مکانیکی و استحکام پایین ژل محدود شده است.
میزان بالای آب و خاصیت کشسانی هیدروژل‌ها گاهی باعث ایجاد خواص مکانیکی نامطلوب و کاهش استحکام ژل شده و کاربردهای آنها را محدود می‌کند.
ورود ذراتی مانند رس‌ها در مقیاس نانومتری می‌تواند با بهبود خواص مکانیکی، کارایی این مواد را برای کاربردهای مختلف افزایش دهد.
هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی دارای استحکام بالاتر و نسبت تورم بیشتر می‌باشند.
هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی با وارد کردن نانوذرات مختلف درون ماتریکس هیدروژلی تهیه می‌شوند.
ماده حاوی نانوذرات می‌تواند با مخلوط شدن در ماتریکس هیدروژل بعد از انجام عمل پلیمرازسیون و یا رسوب‌دهی در ماتریکس هیدروژل بعد از انجام پلیمریزاسیون وارد محیط هیدروژل شود.
هیدروژل‌های نانوکامپوزیتی دارای خصوصیات بهبود یافته مکانیکی،گرمایی، نوری، الکتریکی، واکنش‌پذیری و اصطکاکی می‌باشند .
در سال‌های اخیر تحقیقات خوبی در زمینه هیدروژل های کامپوزیتی و نانوکامپوریتی انجام شده است.
انتخاب مواد مختلف برای سنتز نانوهیدروژل‌ها با توجه به سه خصوصیت مهم هیدروژل‌ها همانند مقدار ظرفیت جذب آب، نرخ جذب آب و استحکام ژل متورم شده انجام می‌شود. این موضوع در ادامه به طور خلاصه بیان می‌شود .
ترکیبات معدنی
ترکیبات معدنی به‌ویژه رس‌ها اغلب به دلیل قابلیت دسترسی، ارزان بودن و ماهیت هیدروفیلی در سنتز نانوکامپوزیت‌ها استفاده می‌شوند.
رس‌ها به دلیل داشتن حدود ۵۰ گروه عاملی می‌توانند به عنوان اتصالات عرضی عمل کرده و خواص مکانیکی هیدروژل را افزایش دهند.
میزان بهبود در مقاومت مکانیکی هیدروژل به ساختار رس مورد استفاده و قابلیت لایه‌ای شدن آن در بستر پلیمر بستگی دارد.
انواع رس‌های مورد استفاده شامل مونت‌موریلونیت، بنتونیت و انواع رس‌های سیلیکاتی دیگر می‌باشد .
نانوذرات سیلیکا می‌توانند قدرت مکانیکی هیدروژل‌ها را از طریق سازمان‌دهی شبکه پلیمر به علت پیوند هیدروژنی ساختار زنجیره‌ای پلیمر با ذرات آب‌دوست افزایش دهند.
هیدروژلی بر پایه پلی (N— – ایزوپروپیل اکریل آمید)- مونت موریلونیت بدون استفاده از اتصال‌دهنده عرضی شیمیایی تهیه شد و لایه‌های رس مونت‌موریلونیت توانستند نقش اتصالات عرضی چند عاملی را ایفا کنند .
در شکل (۲) تصویر شماتیک این هیدروژل نانوکامپوزیت ارائه شده است.
ظرفیت تورم یک هیدروژل می‌تواند با تغییر در نوع و غلظت اتصال‌دهنده، مونومر و دمای واکنش تغییر کند. ویژگی‌هایی همانند ظرفیت تورم، نرخ تورم، قابلیت تورم مجدد و حساسیت به نمک و شوری می‌تواند تحت تاثیر نوع رس و مقدار رس باشد .
قابلیت تورم مجدد (Reswellability)
قابلیت تورم مجدد به‌ویژه در مورد نانوهیدروژل‌های کشاورزی اهمیت بیشتری دارد.
نگهداری آب به‌وسیله هیدروژل‌ها برای سال‌های طولانی از طریق تعداد دوره‌های تورم-واتورم (Swelling-deswelling) کنترل می‌شود.
نتایج مطالعات بیانگر آن است که تورم مجدد هیدروژل نانوکامپوزیتی بیشتر از هیدروژل کامپوزیتی فاقد رس می باشد.
از بین رس‌های مختلف ورمیکولیت، میکا، مونت‌مویلونیت وکائولینیت، رس میکا دارای بالاترین قدرت تورم مجدد می‌باشد .
نرخ تورم (Swelling Rate)
نرخ تورم به پارامترهای مختلفی همانند اندازه ذرات، روش خشک شدن و ساختار شبکه پلیمری بستگی دارد.
نوع رس روی کینتیک تورم بسیار موثر است. به‌طوری‌که رس مونت موریلونیت دارای نرخ تورم بالاتری نسبت به رس‌های ورمیکولیت، میکا وکائولینیت می‌باشد.
مطالعات نشان داده است که هیدروژل نانوکامپوزیتی نرخ تورم بالاتری در مقایسه با سایر هیدروژل ها دارد. این موضوع می‌تواند به‌دلیل ماهیت چگالی اتصالات شبکه ناشی از وجود این رس‌ها باشد .
واکنش به نمک و شوری (Saline Sensitivity)
ظرفیت تورم هیدروژل یونی به شدت به شوری محیط (قدرت یونی) بستگی دارد.
با افزایش قدرت یونی، فشار اسمزی کاهش و همچنین کمپلکس پلیمر-نمک کاهش می‌یابد.
بنابراین ظرفیت تورم هیدروژل به‌طور معنا‌داری کاهش می‌یابد تا حدی که ممکن است رسوب هیدروژل اتفاق بیافتد.
در غلظت‌های بالاتر یون‌ها و در خاک این اثر به دلیل حضور کاتیون‌های چندظرفیتی بیشتر است.
اما به‌دلیل ماهیت رس‌ها در هیدروژل های نانوکامپوزیتی و جذب بالاتر نمک، ظرفیت جذب آب در هیدروژل نانوکامپوزیتی بر پایه رس کاهش نمی‌یابد .
رس‌های اصلاح شده با مواد آلی (Organo- modified Clays)
برای تولید و تهیه نانوکامپوریت‌های هیدروفوبی پلیمر-رس، ابتدا رس‌ها را به‌وسیله مواد آلی اصلاح می‌کنند تا فاصله بین صفحات آنها افزایش یابد و ورود پلیمرهای سازنده هیدروژل به درون آنها امکان‌پذیر شود.
سنتز هیدروژل بر پایه مونت موریلونیت-کیتوزان مثالی از این نوع است.
بدین‌منظور از مواد کاتیونی با وزن مولکولی پایین همانند نمک‌های قلیایی آمونیومی مانند هگزادسییل آمونیوم کلراید، (۳-اکریل آمیدوپروپیل)تری متیل آمونیوم کلراید و/یا مواد پلیمری همانند کیتوزان و پلی (دی متیل دی آلی آمونیوم کلراید) استفاده می‌شود .
نانوذرات فلزی (Metal Nanoparticles)
تاکنون از نانوذرات فلزی همانند نقره به منظور تهیه نانوهیدروژل استفاده شده است.
به‌دلیل تمایل بالای نانوذرات به تجمع یافتن در ماتریکس پلیمر، غالبا این هیدروژل‌ها به‌صورت درجا سنتز می‌شوند.
آماده‌سازی هیدروژل های نانوکامپوزیتی
منومرهایی همانند اکریل آمید (AAm)، اکریلیک اسید (AA)، نمک‌های اکریلیکی و ۲-اکریلیک آمیدو-۲-متیل پروپان سولفونیک اسید (AMPS) از جمله مونومرهای مورد استفاده در هوموپلیمرها و کوپلیمرها می‌باشند.
معمول‌ترین روش برای تهیه چنین سیستم‌هایی، روش پلیمریزاسیون ذرات درون محلول مونومر (solution Polymerization) است.
در روش پلیمریزاسیون ذرات درون محلول مونومر به‌صورت درجا (In Situ)، نانوذرات و مونومر مورد استفاده به‌طور همزمان از همان ابتدای سنتز وجود دارند.
ولی در روش غیردرجا (Ex Situ)، ابتدا نانوذرات آماده شده و سپس در بستر پلیمر توزیع می‌شوند.
پراکندگی ذرات در روش درجا کاراتر از روش غیردرجا می‌باشد.
سنتز هیدروژل نانوکامپوزیت از طریق روش‌های دیگر چندان مرسوم نیست، اما در برخی مطالعات هیدروژل نانوکامپوزیت به روش پلیمرازسیون سوسپانسیون معکوس (Inverse Suspension Polymerization) نیز تهیه شده است .
