روش های ساخت نانو ذرات

 2-1) شیوه های متداول

برای تولید نانو ذرات روش های بسیار متنوعی وجود دارد . این روش ها اساسا به سه گروه تقسیم می شوند: چگالش ازیک بخار ، سنتز شیمیایی فر آیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن . پس از تولید می توان ذرات رابسته به نوع کار بردشان مثلا بامواد آب دوست یا آب گریز پوشاند.

چگالش بخار

ازاین روش برای ایجاد نانوذرات  سرامیکی فلزی واکسید فلزی استفاده می شود. این روش شامل تبخیر یک فلز جامد وسپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه های نانومتری است که به صورت پودر ته نشین می شوند. از روش های مختلفی می توان برای تبخیر فلز استفاده نمود وتغییر دستگاهی که امکان تبخیر را به وجود می آورد، طبیعت اندازه ذرات راتحت تاثیر قرار می دهد. درهنگام ایجاد نانوذرات فلزی برای جلوگیری ازاکسیداسیون ا زگازهای بی اثر استفاده می شود، حال انکه برای تولید نانو ذرات سرامیکی اکسید فلزی از اکسیژن هوا استفاده می شود. مهم ترین مزیت این روش میزان کمی آلودگی است درنهایت  اندازه ذره با تغییر پارامترهایی نظیر دما ومحیط گاز وسرعت تبخیر کنترل می شود.

یک روش که شاید دراصل ، چگالش بخار نباشد روش سیم انفجاری است که از آن توسط Argonide استفاده می کند به خاطر اینکه سیم فلزی دراثر انفجار به خوشه های فلزی تبدیل شود، جریان برقی با ولتاژ بالا به آن اعمال می شود (مشابه دمیدن با یک مفتول به درون حباب شیشه ای مذاب )این کار دریک گاز بی اثر انجام می شود که سریعا ذرات را فرو می نشاند.

نوع دیگری از روش چگالش بخار ، روش تبخیر درخلا بر روی مایعات روان است دراین روش از فیلم نازکی ازمراد نسبتا ویسکوز – یک روغن یا پلیمر – دریک استوانه دوار استفاده می شود. دراین دستگاه به خلاء ایجاد می شود وفلز مورد نظر درخلاء تبخیر یاپراکنده میشود. ذرات معلقی که درمایع تشکیل می شوند، می توانند به اشکال مختلفی  رشد یابند.

توشیبا بااستفاده از رسوبدهی شیمیایی بخار (CVD) که عموما برای تولید فیلم های نازک درصعنت مدارات مجتمع به کار می رود، روش جدیدی را برای تولید نانوذرات توسعه داره است. هر دوشکل مایع وگاز دریک راکتور قرار داده می شود. برحسب پارامترهای مختلفی (مثل نسبت گاز به مایع ، نحوه افزایش گاز ومایع ، دما و زمان حرارت دهی ) اشکال مختلفی از ذرات را می توان تولیدکرد. همسان بودن نانوذرات دربرخی از کاربردها ازاهمیت زیادی برخوردار است . مثلا جهت استفاده از نانو ذرات دردیسک های ذخیره داره لازم است همه آنها هم اندازه باشند. این شرکت فرایند خود را با اکسید تتیانیوم آزمایش کرده ونانو کره هایی با ابعاد 1-100 nm پدیدآورده است . همچنین با پوشش دادن یکی از آنها با چندین ذره ، خوشه ای از ذرات را ساخته است.

 

سنتز شیمیایی

عمدتا استفاده از روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانو ذرات دریک واسطه مایع ، حاوی انواع واکنشگر هااست . روش سل ژل نمونه چنین روشی است . ازاین روش برای ایجاد نقاط کوانتومی نیز استفاده می شود به طور کلی برای کنترل شکل نهایی ذرات، روشهای شیمیایی بهتر از روش های چگالش بخار هستند. درروش های شیمیایی ، اندازه نهایی ذره را می توان یا با توقف فرآیند درهنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد، یا با انتخاب مواد شیمیایی تشکیل دهنده ذرات  پایدار ویا  توقف رشد دریک اندازه خاص کنترل نمود. این روش ها معمولا کم هزینه وپرحجم هستند اما الودگی حاصل ازمواد شیمیایی می تواند یک مشکل باشد و می تواند یکی از استفاده های رایج نانو ذرات ، یعنی پخت آنها برای ایجاد روکش های سطحی ، را دچار مشکل نماید.

 

فرآیندهای حالت جامد

از روش آسیاب یا پودرکردن می توان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانو ذرات حاصل تحت تاثیر نوع ماده آسیاب کننده زمان آسیاب ومحیط اتمسفری آن قرار می گیرد . از این روش می توان برای تولید نانوذراتی ازمواد استفاده نمودکه در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی شوند. آلودگی حاصل از مواد اسیاب کننده خود می تواند یک مسئله باشد.

 

2-2)   فرایندهای فوق بحرانی

هر چه بازار نانو ذرات درعرصه فناوری های پیشرفته ، همچون صنعت کامپیوتر وداروسازی توسعه می یابد ،تقاضا برای نانو ذرات دارای اندازه ویا شکل تعریف شده درمقیاس انبوه وقیمت اندک افزایش می یابد. این روند موجب اصلاح مداوم فناوری های تولیدی موجود وپیشرفت روش های تولیدی نوین می گردد.

اخیرا محققان شروع به استفاده از سیالات فوق بحرانی (SCF ها ) به عنوان واسطه رشد نانو ذرات فلزی کرده اند. با استفاده از این روش می توان محصولی با توزیع اندازه ذرات کنترل شده تولید نمودو همین امر موجب افزایش مطالعات دراین زمینه شده است .

درروش های قبلی مشکلاتی نظیر تغییر کیفیت  بعلت اثرات گرمایی ویا شیمیایی ، مصرف زیاد حلال وهمچنین مشکلات زدودن حلال همراه کریستال بخصوص درتولید قرصها وتغییرکیفیت مواد بعلت تغییرات دما می باشد . برای مرتفع ساختن مشکلات فوق نیاز به استفاده از روشهای نوین جهت تولید ذرات زیردرمقیاس نانو باتوزیع اندازه ذرات کنترل شده وهمچنین کیفیت کریستالهای تشکیل شده از نظر خلوص وشکل هندسی آنها می باشد . فناوری استفاده از سیالات فوق بحرانی تمهیدات متعددی را جهت دستیابی به اهداف ذکر شده مهیا می سازد یکی از سیالات رایج دراین فناوری ، دی اکسید کربن می باشد . سیالی است غیر سمی ، غیرقابل احتراق و ارزان .

فرآیندهای فوق بحرانی برحسب اهداف مختلف ، دارای تنوع بسیاری می باشند ولی همگی برپایه استفاده از برخی خواص گاز گونه نظیر نفوذ پذیری وبرخی خواص مایع گونه نظیر دانسیته سیال فوق بحرانی مورداستفاده، استوارند برخی از روشها عبارتند از RESS ، PGSS ،SAS ،GAS،PCA .

هریک از این فرایند ها دارای ویژگی های خاصی بوده ودرتولید ذرات با اندازه ریز و بسیار ریز مورد استفاده قرار می گیرد .

 

فرآِیند RESS

روش RESS شامل درمرحله بوده بطوریکه درمرحله اول جزء حل شونده دلخواه درسیال فوق بحرانی درمحفظه اشباع کننده حل می شود، سپس انبساط ناگهانی محلول فوق بحرانی از طریق نازلی که درخروجی محفظه اشباع کننده ، تعبیه شده است ، انجام می گیرد.

هنگامی که سیال منبسط می شود، بعلت کاهش قدرت حلالیت دراثر انبساط جزء حل شونده درقسمت خروجی با اندازه ذرات مناسب رسوب زایی نموده وجمع آوری می شود.

کاهش فشار دراین سیستمها بطورسریع می باشد . بنابراین حالت فوق اشباع دراین سیستمها براحتی ودرمقادیر بالا قابل تشکیل می باشد وذراتی باکیفیت مناسب تولید می شوند دربیشتر کارهای انجام شده به علت شرایط مناسب ذکر شده ، این روش بیشتر مورد استفاده قرار گرفته وبرای تولید مواد دارویی پروتئین ها ومواد انرژی زا مورد توجه قرار گرفته است. از دیگر مزایای این روش میتوان به خلوص بالای مواد تولید شده اشاره داشت .نمایی از فرآیند فوق بحرانی در شکل زیر نشان داده شده است .

 

فرایند PGSS

درروش PGSS با افزایش فشار ، میزان حلالیت سیال فوق بحرانی درفاز مایع افزایش یافته درنتیجه نقطه ذوب جز حل شدنی کاهش می یابد وبا این روش می توان نقطه ذوب مواد با جرم مولکولی بالا راکاهش داد. گاز تزریق شده که معمولا دی  اکسید کربن  می باشد موجب کاهش نقطه ذوب جامدات می گردد وبه این ترتیب محلول اشباع تشکیل میگردد. پس از تشکیل محلول اشباع اجازه داده می شود محلول منبسط گردد. دراثر انبساط سبک تبخیرشده ودمای سیستم بدلیل پدیده ژول – تامسون کاهش     می یابد وبه دلیل کاهش همزمان دما وفشار حالت فوق اشباع بوجود می آید وبه این ترتیب ذرات ریز تشکیل می گردد فرایند PGSS درمقایسه با فرایند RESS درفشار       پایین تری انجام می شود. محدوده ذرات تولید شده ، بخصوص مواد دارویی بطور متوسط در حدود 10 تا 20 میکرومتر می باشد . در شکل زیر نمایی از فرآیند PGSS نشان داده شده است .

 

فرایند های GAS,SAS,PCA

روش های فوق با استفاده از یک حلال آلی ازجمله روش های مهم درتولید مواد دراندازه های میکرو ونانو می باشند. دراین روش ها جزء دلخواه داخل حلال آلی بصورت فوق اشباع حل شده وسپس درشرایط فوق بحرانی یا نزدیک بحرانی با سیالی نظیر دی اکسید کربن درتماس قرار می گیرد. البته نحوه تماس محلول اشباع وسیال فوق بحرانی وهمچنین نوع دستگاههای مورداستفاده موجب ایجاد تفاوتهایی بین روشهای فوق الذکر گردیده است تفاوت این فرایندها درنوع سیستم پیوسته( Semi Batch) وغیر پیوسته (Batch) می باشد .

بصورت ویژه درفرآیند GAS حلالیت گاز دی اکسید کربن درفشارهای بالا موجب انبساط  حجمی محلول اشباع می گردد ودرنتیجه دانسیته وقدرت حلالیت آن کاهش می یابد واین عمل موجب تبلور جز حل شونده بصورت ذرات زیرباتوزیع اندازه

اندازه ذرات تولید شده بوسیله روشهای فوق الذکر تابع شرایط عملیاتی وبخصوص هندسه دستگاه است . سیالات فوق بحرانی واجد خواصی مابین گازو مایع می باشند . یک راه اصلاح فناوری سیال فوق بحرانی مخلوط نمودن عوامل فعال سطحی با محلول آبی یک نمک فلزی درCO2 فوق بحرانی است . این فرایند به تولید میکروامولسیون ها منجرمی شود که درزمره نانو راکتورهای بالقوه برای سنتز نانو ذرات بسیار همگن به شمار می روند. درشکل زیر تصویر SEM نایلون تولید شده به روش SAS با استفاده از اسید فرمیک به عنوان حلال نشان داده شده است .

 

 2-3) سایر روشهای نوین

روش های تولیدنوین دیگری نیز گزارش شده اند، که براستفاده از امواج مایکرویو ، مافوق صوت، وتقلید از طبیعت استوارند.

به دلیل قابلیت سیستم های طبیعی درخلق نانو ساختارهای دارای دقت ، فرایند های زیستی شایسته امعان نظرند.  برخی از بارکتریهای می توانند نانو ذرات مغناطیسی یا نقره ای را بسازند . از پروتئین های باکتریایی برای رشد مگنتیت درازمایشگاه استفاده شده است . سلول های مخمر می توانند نانو ذرات سولفید کادمیوم را ایجاد کنند . به تازگی محققان هندی قارچی را یافته اند که می توانند نانوذرات طلا راخلق کند. عده ای درامریکا از پروتئین های ویروسی برای خلق نانو ذرات نقره دارای شکل های جذاب استفاده کرده اند. پیوستگی بین راهکارهای تقلید گرایانه از طبیعت وسنتز شیمیایی با حلقه میانی ماکرومولکول هایی همچون درخت سان ها تکمیل می شود ازاین مواد برای ساخت نانو ذرات امورف کربنات کلسیم یک ماده کلیدی درسیستم های زیستی استفاده شده است.

2-4) روکش دهی واصلاح شیمیایی

روکش دهی یا اصلاح شیمیایی انواع نانو ذرات شیوه ای رایج وزمینه ای است که نوآوری های جدید  وارزشمندی را ارائه  می دهد. نانو ذرات سیلیکات برای بدست آوردن خاصیت آبگریزی بیشتر ، باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند، مثلا با یون های آمونیوم یا مولکول های بزرگ تر نظیر سیلسنرکیوکسانای  الیگو مریک چند وجهی ، که همه برای روکش دهی نانو ذرات سیلیکات وهم به عنوان پرکننده روی خودشان مناسب هستند. POSS ها حاوی یک هسته معدنی سیلیکون – اکسیژن ) وهشت گروه جانبی مختلف آلی است ، که این گروه ها نوعا دارای شعاع 5/1 نانومتر هستند و می توانند به آسان ترشدن پیوند پلیمر ها به یکدیگر کمک کنند وبرای پیوند پروتیئن آغاز گربه زیست مواد، نوید بخش باشندگاهی اوقات POSS ها  جزء نانو ذرات طبقه بندی می شوند.

فروسیالات از نانو ذراتی مغناطیسی به کوچکی 10نانومتر استفاده می کنند که با یک ماده پایدار کننده همانند گرافیت پوشانده می شوند ودرحاملی نظیر روغن ،آب یا نفت سفید معلق می شوند. هر ذره ، آهن ربای کوچکی است که یک میدان مغناطیسی رابه ذرات  اعمال ورفتاری غیر معمولی را در سیال ایجاد می کند واجازه کنترل فشار ویسکوزیته به هدایت الکتریکی ، هدایت گرمایی وضریب انتقال نور را درسیال می دهد، جذب انرژی از محیط به صورت حرارت می باشد ولذا این سیالات را می توان به عنوان سردساز مورد استفاده قرار داد.

+ نوشته شده در  87/07/04ساعت 13  توسط هسته ی نانوسازان  | 
script type="text/javascript" src="http://sarevaght.com/web/star.js"> با کلیک روی ستاره یک امتیاز به این مطب بده