سامانه ثبت نام

دورنمای علم و تکنولوژی مواد در سنتز نانوذرات

7 شهریور 1395

یکی از موضوعات علمی روز دنیا بحث نانو است که در چندین سال اخیر به عرصه تولید هم رسیده است. در مقاله زیر ویژگی های مواد نانو بیان می گردد.

مواد نانوساختار، بخصوص آنهایی که از نانوذرات مشتق شده اند، به عنوان یک گروه مجزا از مواد در دهه ی اخیر در نظر گرفته می شوند. ویژگی ارزنده ی این گروه از مواد راهی است که انتظامات مجزا با نانو مواد به همدیگر می رسند و یک زمینه را تشکیل می دهند. پهنای این زمینه وسیع است و از استفاده از نانوذرات اکسید روی در تولیدات بهداشتی( مانند پوشاک بچه) گرفته تا استفاده از آنها در سوخت جامد راکت ها. این شور و اشتیاق در بیشتر بخش ها بوجود آمده است( از مواد بنیادی گرفته تا ویژگی های متفاوت در مقیاس نانو). برای مثال با توجه به گارهای انجام شده بوسیله ی Qi و Wang، وقتی نسبت اندازه ی اتم به ذره کمتر از 0.01 تا 0.1 شود، انرژی چسبندگی شروع به کاهش می کند؛ که این مسئله باعث کاهش نقطه ی ذوب می شود. در گزارشی مربوط به این موضوع، Nada و همکارانش نشان دادند که انرژی سطحی نانوذرات آزاد بالاتر از نانوذرات احاطه شده است و این انرژی در مقایسه با حالت بالک، بالاتر است. همچنین شواهدی وجود دارد که در آن، نانوذرات ویژگی هایی را بوجود می آورند که به طور قابل توجهی نسبت به بخش های میکروکریستالی با جنس یکسان، متفاوت است. برای مثال، Reddy و همکارانش نشان دادند که نانوذرات آناتاس(  ) که به روش رسوب دهی سنتز شده اند، رفتار گاف نواری نیمه رسانا( مستقیم) از خود نشان می دهند؛ در حالی که  میکرو کریستال یک ماده با گاف نواری غیر مستقیم است.
این زمینه به سرعت در حال تکامل است و به حدی سریع است که به سختی می توان یخشی را پیدا کرد در آن مفاهیم نانو مواد( حداقل در حد مقدماتی) وارد نشده باشد. مطالعات بر روی استفاده ی بالقوه از نانو مواد در کاربردهای مختلف انجام شده است. این کاربردها شامل ذخیره سازی هیدروژن، سنسورهای گازی و یونی، نانوذرات اصلاح شده ی سطحی برای بالا بردن بازیافت روغن، جذب عوامل شیمیایی و بیولوژیکی بر روی نانو ذرات، الکترودهای فعال برای باتری های لیتیومی، وسایل تابش نور و مواد دندانی، می شوند.
هدف این مقاله بررسی پیشرفت هایی است که علم و تکنولوژی نانو در زمینه ی تولید ذرات بسیار ریز، تا به امروز دست یافته است. لازم به ذکر است که نانوذرات بلوک های ساختاری مواد نانوساختار تلقی می شوند. در حالی که مواد غیر آلی با سطح بالا مانند کاتالیست های فلزی حمایت شده، کربن بلک و نانو ذرات سیلیس برای چندین دهه است که مورد استفاده قرار می گیرند، در دهه ی 1970 و 1980 بود که تکنیک های جدید برای تولید نانو ذرات مقاوم و با ترکیب شیمیایی مختلف بوجود آمد. به هر حال این تلاش ها اندک و تا حدی متفرق بود. علاوه بر این، مفهوم مواد در یک چنین مقیاس کوچکی، هنوز درک نشده بود. 10 یا 15 سال بعد، در دهه ی 1880 و اوایل دهه ی 1990، چندین روش برای تولید نانوذرات توسعه یافت که بیشتر آنها در دانشگاه ها و آزمایشگاه های تحقیقاتی ملی بوجود آمده بودند. این فرایندها برای بیشتر بخش ها مورد استفاده قرار گرفتند و نانوذرات تک فاز( مانند تیتانیا و SiC) و مواد ترکیبی( مانند  و  ) از این روش ها ساخته شد. با بوجود آمدن نانو ذرات( اگرچه در مقیاس کوچک)، کاربردهای آنها توسعه یافت و این مسئله باعث ایجاد انگیزشی در زمینه ی تولید این مواد در مقیاس صنعتی شد. همچنین در همان زمان تلاش ها برای توسعه ی روش های ارزان قیمت تولید نانوذرات نیز انجام شد برخی اوقات تمرکز به سمت سنتز نانوذرات طراح حرکت کرد و زمانی نیز به سمت تولید ساختارهای پیچیده حرکت کرد. استفاده از نانوذرات در کاربردهای خاص یاری کننده بود مثلا در تولید زمینه های با عملکرد مناسب، استفاده از نانوذره می توانست این عملکرد را بهبود دهد و یا استفاده از خود نانو ذرات به عنوان پوشش و فیلم نیز یکی دیگر از این زمینه های موفق می باشد. به طور عکس، با وجود تلاش های زیاد در سطح دنیا، تولید مواد نانوساختار بالک از نانوذرات یکی از زمینه های است که هنوز در سطح کنجکاوی های آزمایشگاهی باقیمانده است. این مقاله تلاش می کند تا پیشرفت های انجام شده در زمینه ی مواد نانو ذره ای را از تحقیقات اولیه تا بخش های تجاری مورد بررسی قرار دهد. بحث در اینجا به نانو ذرات فلزی و سرامیکی و ترکیبات آلی- غیر آلی آنها محدود می شود.

طبقه بندی روش های تولید نانو ذرات

تمام روش های تولید نانو ذرات به سه گروه اصلی تقسیم بندی می شوند:
واکنش های فاز بخار
رسوب دهی از محلول
فرایندهای حالت جامد
یک سری فرایندها وجود دارد که ترکیبی از یک یا چند فرایند را مورد استفاده قرار داده اند. اگر چه فرایندها فاز بخار در زمان های اولیه ی توسعه ی نانو ذرات، متداول بود، فرایند حالت جامد که در بالا بدان اشاره شد، به طور گسترده در صنعت برای تولید ذرات میکرونیزه مورد استفاده قرار می گرفته است که استفاده ی عمده از این روش ها به دلیل ملاحظات هزینه ای بوده است. یکی از قدیمی ترین شرکت های تولید کننده ی پودر یعنی شرکت Ferro، از روش های سنتز حالت جامد استفاده می کرد و بوسیله ی این روش ها هزاران تن اکسید کبالت- لیتیوم با استفاده از این روش تولید شده است(اکسید کبالت- لیتیوم در باتری های یونی- لیتیومی کاربرد دارد. در زیر توصیفی در مورد روش های تولید نانو ذرات بیان شده است:

سنتز حالت جامد نانو ذرات

سنتز حالت جامد نانو ذرات عموما از یک مرحله عملیات حرارتی تشکیل شده است. در این فرایند، ساختار کریستالی مناسب بدست می آید و بعد از آن عملیات خردایش انجام می شود. در حالی که عموما این باور وجود دارد که ایجاد برای تولید نانو ذرات بااندازه های زیر میکرون با این روش، مشکلات زیادی وجود دارد، نوآوری های انجام شده بوسیله ی برخی شرکت ها چیز دیگری می گوید. به طور نمونه، برخی آسیاب ها ساخته شده است که در آنها توانایی کاهش اندازه ی ذرات وجود دارد. این ادعا شده است که با استفاده از برخی از این آسیاب ها توان تولید نانو ذراتی با اندازه ی زیر 30 نانومتر نیز وجود دارد.
اگر بر اساس متون چاپ شده قضاوت کنیم، جامعه ی علمی اشتیاقی برای استفاده از فرایندهای آسیاب کاری مکانیکی در تولید نانوذرات از خود نشان ندادند. این مسئله احتمالا به خاطر موضوعاتی از قبیل ورود مواد ناخالصی به داخل نانو ذرات، عدم توانایی در کنترل توزیع اندازه ی ذرات و عدم توانایی در تعیین شکل و اندازه ی ذرات در گستره ی 10- 30 nm می باشد. با این حال در برخی از ورژن های اصلاح شده ی آسیاب های مکانیکی، توانایی تولید نانو ذرات اکسید وجود دارد. در میانه ی دهه ی 1990، Advanced Power Technology در استرالیا پیشگام در زمینه ی فرایند های حالت جامد با استفاده از عملیات آسیاب کاری شد. آسیاب های خشک برای القای واکنش های شیمیایی از طریق اصابت گلوله ها به پودر، مورد استفاده قرار گرفت که نتیجه ی این کار تولید نانو ذرات با زمینه ی نمکی می باشد. با استفاده از زمینه ی نمکی، آگلومره شدن به حداقل رسید که این زمینه ی نمک سپس بوسیله ی شستشوی ساده جداسازی می گردد. یکی از محصولات اصلی اکسید سریوم است که عموما یک ماده ی گران قیمت است و به ندرت در حالت نانو پودر موجود می باشد. گزارشات مستمری در زمینه ی فرآوری مکانوشیمیایی نانو ذرات گزارش شده است. با این روش شکل های مختلف از نانوذرات تولید می شوند مانند سنتز ترکیبات فریتی با ساختار اسپینلی( مثلا و  ) بوسیله ی محلول آبی کلریدهای فلزی و NaOH در یک آسیاب گلوله ای.
این مسئله باید تذکر داده شود که به هر حال آسیاب کاری مکانیکی یک تکنیک متداول در تولید پودرهای میکرونیزه ی نانو کریستالی است( بر خلاف ناحیه ی سطح بالای نانو ذرات). یکی از اولین تلاش ها برای تولید فلزات نانو کریستالی بوسیله ی محققین Exxon Mobil انجام شد. در این شرکت، آلومینیوم و آلیاژهای آن در اتمسفر آرگون مایع در آسیاب گلوله ای تحت آسیاب کاری قرار داده شده اند. علاوه بر ریز شدن دانه ها، فرایند آسیاب کاری باعث توزیع بسیار ظریفی گشت که این توزیع، مقاومت به خزش را در دماهای بالا بهبود داد. این رویه به سرعت برای سایر مواد نیز مورد استفاده قرار گرفت و خود آرایی نابجایی ها در مرزدانه های با زاویه ی بزرگ در ذرات پودر( در طی فرایند آسیاب کاری) منجر به کاهش اندازه ی دانه با فاکتوری در حدود  شد. چگالش نانو ذرات بوسیله ی گاز خنثی

ادراک عمومی این است که با استفاده از این روش، کنترل قابل توجهی می تواند بر روی اندازه، شکل و محدوده ی آگلومره ها ایجاد می شود، اگر فرایند چگالش گازی بتواند در محیط های با فشار کم انجام شود و یا نانو ذرات به سرعت و همینکه تشکیل شدند، کوئنچ شوند. با توجه به این موضوع، Granquist و Buhrmann نانو ذرات فلزی را اولین بار بوسیله ی روش چگالش گاز خنثی سنتز کردند. برخی از این نانوذرات ها دارای اندازه ی متوسط 10 نانومتر و برخی دیگر حتی کوچکتر از این اندازه بودند. وقتی این اتم های فلزی از منبع حرارتی خارج می شدند، به سرعت انرژی خود را از دست می دهند. این از دست رفتن انرژی بواسطه ی برخورد آنها با اتم های گاز می باشد. شکل 2 شماتیکی از ستاپ تولید نانو ذرات فلزی است که بوسیله ی نویسندگان مورد استفاده قرار گرفته است. تعدادی از نانو ذرات فلزی مانند آلومینیوم، کروم، مس، آهن، گالیوم، منیزیم و نیکل با این روش تولید شده اند. یک سیلندر شیشه ای بزرگ( با قطر 0.34 m و ارتفاع 0.45 m) در داخل یک بخش خنک سازی قرار داده می شود و فشار داخل آن به مقدار تقریبی  torr کاهش می یابد( این کار با استفاده از یک پمپ خلأ دیفیوژنی انجام می شود). یک بوته ی آلومینایی مورد استفاده قرار می گیرد و به آهستگی حرارت دهی می شود. این حرارت بوسیله ی یک المان حرارتی گرافیتی ایجاد می شود. بعد از خارج شدن مناسب گاز، خط واصل پمپ بسته می شود و یک اتمسفر کاهش یافته از یک گاز خنثی( معمولا آرگون خالص با فشار 0.5 تا 4 تور) به داخل سیلندر وارد می شود. بعد از این مرحله، بوته ی مورد استفاده به سرعت گرم می شود( تحت دمای ثابت و فشار گاز خنثی). نانو ذراتی که در فاز گاز، جوانه زنی و رشد کرده اند، بر روی سطح مسی آبگرد، خنک می شوند. سرعت تولید در اینجا در حدود 1 گرم در هر باری است که دستگاه به کار می افتد.
طول پویش آزاد میانگین در برخورد ها در آلومینیوم در فشار 1 تور آرگون، برابر با 〖10〗^(-7) می باشد. این مسئله موجب می شود تا سرمایش های متفاوتی رخ دهد و باعث ایجاد یک فوق اشباع از بخار فلزی شود. این فوق اشباع منجر به هسته زنی هموژن می شود. این نشان داده شده است که مکانیزم غالب در رشد ذرات، به هم پیوستن خوشه ها و تولید نانو ذرات است که موجب تشکیل نانو ذراتی با توزیع اندازه ی نرمال می شود. Glieter یک اصلاح بر روی این فرایند انجام داد. او این کار را با استفاده از محفظه ای انجام داد که به میزان قابل توجهی تخلیه می شد و سپس بوسیله ی 1 تا 10 تور گاز خنثی پر می شد. در این سیستم سرد شدن ذرات بر روی بخشی انجام می شد که اصطلاحا انگشت سرد نامیده می شود. این بخش از یک سیلندر چرخنده تشکیل شده است که از گاز نیترروژن مایع پر می شد. شکل 3 شماتیکی از فرایند را نشان می دهد. در این شماتیک، نانو ذرات در نقطه ی گرم شده ای دقیقا بالای منبع تبخیر ایجاد می شوند. تولید نانو ذرات به دلیل واکنش های میان نمونه های گازی داغ و اتم های گاز خنثای با دمای پایین تر در محفظه انجام می شود. این فرایند هم برای تولید نانو ذرات فلزی و هم برای نانو ذرات اکسیدی قابل استفاده می باشد. به منظور تولید نانو ذرات اکسیدی، اکسیژن وارد محفظه می گردد. این مسئله را باید متذکر شویم که تلاش های اولیه محققین این مسئله را بوجود آورده است که بتوان نانو ذرات را به صورت توده ی بالک تولید نمود. همن که نانو ذرات بر روی انگشت سرد رسوب می کنند، از آن جدا سازی و به داخل یک قالب می ریزد. این فرایند به طور کامل تحت شرایط خلأ انجام می شود. این فرایند همچنی بوسیله ی Weertmann و همکارانش مورد استفاده قرار گرفته است. فرایند چگالش گاز که در ابتدا مورد استفاده قرار می گرفت، به زودی اصلاح و مورد بازبینی قرار گرفت. روی هم رفته، هدف اولیه ی مطالعات بعدی بر روی این فرایند، افزایش سرعت تبخیر نمونه های فلزی و بنابراین افزایش سرعت تولید است. همچین انواع مختلفی از فرایند های IGC ابداع شده اند. برای مثال انستیتوی فرانهوفر در زمینه ی مواد یک سیستم IGC حلقه بسته توسعه داد که در شکل 4 می توانید آن را ببینید. این سیستم در ابتدا برای تولید نانو ذرات نقره و مس مورد استفاده قرار گرفت اما این روش را می توان برای تولید سایر نانو پودر ها نیز استفاده کرد. فلز به صورت سیم به داخل قایقک تنگستنی قرار داده می شود. رسوب دهی فیلتری برای جمع آوری نانو ذرات مورد استفاده قرار می گیرد. سرعت های بالای تبخیر موجب تشکیل یک جریان پایدار در سیستم می شود. عموما سنتز به روش چگالش گاز روشی هزینه بر است زیرا قیمت المان های حرارت دهی و مواد مورد استفاد در این روش بالاست. تنها استثنا موادی هستند که تصعید می شوند. در زمینه ی تصعید مواد خاص، Khan و همکارانش از یک کوره ی تصعید با محیط کنترل شونده برای تصعید و چگالش بهره بردند. در این کار تحقیقاتی، نانو ذراتی از  با مساحت سطح  تولید شده است. در میان سایر استفاده ها، استفاده از این روش برای تولید نانو ذرات  دارای مزیت های بیشتری می باشد.

 

 پژشگران محترم می توانند برای برقراری ارتباط با اساتید، دانشگاهیان و صنعت گران در سایت ثبت نام و طرح های خود را به دبیرخانه ایمیل کنند.

برچسب: نخستین همایش بین المللی شیمی ایران، شیمی، شیمی تجزیه، شیمی معدنی، شیمی آلی، بیو شیمی، پلیمر های معدنی، همایش شیمی،الکتروشیمی،اوربیتال، اتم، مولکول،پتروشیمی، همایش شیمی95، همایش شیمی 1395، ساختار، لوئیس، زئولیت، ترکیبات معدنی، آلی، ترکسیات آلی، مکانیزم، سنتز، شناسایی مواد، آنالیز، فراخوان مقاله، فراخوان مقالات شیمی، فراخوان مقاله های شیمی، کنگره شیمی، نانو شیمی، شیمی سبز، کاتالیست، صنعت

 


654
مطالب مرتبط


لطفا با تكميل فرم ، نظرات ، پيشنهادات و انتقادات خود را در مورد مطلب منتشر شده با ما در ميان بگذاريد.
پيام شما پس از تاييد توسط مدير سايت ، منتشر خواهد شد.
 

 
Captcha


 
مجلات حامی

تماس با دبیرخانه

 

02133699094 

09193519331

 

02189786524

conf.ntpco[at]gmail.com

مرکز همایش