سنتز نانوبلورها

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


علـم مـواد نویـن ارتبـاط نزدیکـی بـا فیزیـک، شـیمی و زیسـت دارد. ایـن امـر بـه خصـوص در مـورد مـواد نانـو صـدق مـی کنـد و بـه طـور واضـح در روش هـای مختلـف بـه کار گرفتـه شـده بـرای سـنتز ایـن مـواد دیـده مـی شـود.

از یـک طـرف، روش هـای بـالا بـه پاییـن مبتنـی بـر شکسـت پیاپـی مـاده بالـک و روش هـای پاییـن بـه بـالا بـر پایـه ی سـاخت نانومـواد از ذرات سـازنده ی آن هـا اسـت.
روش هـای بـالا بـه پاییـن و پاییـن بـه بـالا بـه ترتیـب تحـت عنـوان روش هـای فیزیکـی و شـیمیایی شـناخته مـی شـوند.

تـا بـه حـال روش هـای مختلفـی بـرای سـنتز نانوبلورهـا بـه خدمـت گرفتـه شـده اند که بـه طـور مختصـر بـه ایـن روش هـا می پردازیم.

روش های فیزیکی : چگالش به کمک گاز خنثی، تخلیه قوس الکتریکی، پاشش یون، برش لیزر
روش های شیمیایی : روش احیا ( احیا بوروهیدرید، احیا سیترات )

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


روش های فیزیکی :

بســـیاری از روش هـــای فیزیکـــی شامل تبخیـــر یـــک مـــاده جامـــد و تشـــکیل یـــک فـــاز بخـــار فـــوق اشـــباع اســـت کـــه از آن جوانـــه زنـــی ناهمگـــن نانـــو ذرات اتفـــاق می افتـــد.

کنتـــرل انـــدازه ذرات در ایـــن روش هـــا توســـط غیـــر فعـــال نمـــودن فراینـــد تبخیـــر و یـــا کاهـــش نـــرخ ورود مولکول هـــای گازی بـــرای کاهـــش تصـــادم رشـــد بـــا ســـرعت بالا ( معمـــولا بیـــن چنـــد میلـــی ثانیـــه تـــا چنـــد ثانیـــه ) انجـــام می شـــود کـــه اهمیـــت کنتـــرل دقیـــق پارامترهـــای آزمایشـــگاهی را نشـــان می دهـــد.

روش هـــای تخصصـــی زیـــادی در طـــی دهه هـــای گذشـــته شـــکل گرفتـــه اســـت کـــه بـــر مبنـــای منبـــع انـــرژی یـــا نـــوع واکنـــش دهنـــده مـــورد اســـتفاده ( جامـــد، مایـــع و گاز ) تقســـیم بنـــدی می شـــوند.

در ادامه به توضیح روش ها نیز به طور خلاصه خواهیم پرداخت.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


همانطور که قبلا اشاره کردیم یکی از روش های فیزیکی سنتز نانوبلورها چگالش به کمک گاز خنثی می باشد.
در این بخش توضیح مختصری در این روش می دهیم.

چگالش به کمک گاز خنثی :

ایـــن روش بـــه دلیـــل آســـانی بســـیار زیـــاد بـــرای تولیـــد نانوخوشـــه ها بـــه ویـــژه نانوخوشـــه هـــای فلـــزی مـــورد اســـتفاده قـــرار می گیـــرد.

در یـــک محفظـــه ی پـــر شـــده از گاز خنثـــی ( معمولا در حـــد چنـــد تـــور از گاز آرگـــون ) یـــک فویـــل یـــا شـــمش فلـــزی در بوتـــه ی ســـرامیکی حـــرارت داده می شـــود. بخـــار فلـــز بـــه ســـرعت خنـــک می شـــود و در برخـــورد بـــا اتم هـــای گاز آرگـــون انـــرژی خـــود را از دســـت می دهـــد کـــه منجـــر بـــه تولیـــد نانـــوذرات می شـــود.

بنابرایـــن، نانـــوذرات آهـــن بـــا قطـــری بیـــن 40-5 نانومتـــر بـــا چگالـــش در اتمســـفر هلیومـــی یـــا آرگونـــی قابـــل تولیـــد اســـت. بـــا کنتـــرل در معـــرض بـــودن هـــوا بـــا ذرات، بیکـــر و همـــکاران ذرات Fe را  بـــه ذرات هسته-پوســـته ی Fe-Fe2O3 تبدیـــل کردنـــد. 



در بخش بعد به ادامه بحث می پردازیم.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


در ادامه بخش قبل خواهیم داشت :

ذرات تولیـــد شـــده تـــک ناحیـــه بودنـــد امـــا خاصیـــت فـــوق مغناطیســـی داشـــته و دمـــای انســـداد بـــا ضخامـــت پوســـته ی اکســـیدی تغییـــر می کـــرد. لـــی و همکارانـــش  نانـــوذرات SnO را تحـــت فشـــارهای جزئـــی مختلـــف گازهـــای اکســـیژن و هلیـــوم تولیـــد کردنـــد.


نانـــوذرات نیمــه رســانا ماننــد CdS و ZnSe نیــز توســط چگالـــش بـــه کمـــک گاز خنثـــی ســـنتز شـــده اند. نانـــوذرات گادولینیـــوم ( Gd )تولیـــد شـــده بـــه روش چگالـــش بـــه کمـــک گاز خنثـــی پایـــداری خوبـــی در برابـــر اکسیداســـیون از خـــود نشـــان می دهنـــد. بـــه دنبـــال کاهـــش انـــدازه، یـــک تغییـــر ســـاختاری از hcp بـــه fcc در ایـــن ذرات مشـــاهده می شـــود.

مایســـل و همـــکاران بـــا بســـط ایـــن روش از آن بـــرای ســـنتز کامپوزیتـــی از نانـــوذرات PbS و Ag بـــا وارد کـــردن آنهـــا از دو کانـــال مجـــزا اســـتفاده کردنـــد.

ناکاســـو و همـــکاران زینتـــر شـــدن نانـــوذرات معلـــق طـــلا در طـــی چگالـــش در یـــک محیـــط گازی را مطالعـــه کردنـــد. 
شـــبیه ســـازی های دینامیـــک مولکولـــی بـــرای درک جوانـــه زنـــی خوشـــه ها در شـــرایط چگالـــش بـــه کار گرفتـــه شـــده اســـت.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


یکی دیگر از روش های فیزیکی سنتز نانوبلورها، تخلیه قوس الکتریکی می باشد.

تخلیه قوس الکتریکی :

روش دیگـر بـرای تولیـد بخـار فلـزات اسـتفاده از برخـورد یـــک قـــوس میـــان الکترودهـــای فلـــزی در حضـــور یـــک گاز خنثـــی اســـت.

وبـــر و همـــکاران از ایـــن روش بـــرای ســـنتز نانـــوذرات نیـــکل و مطالعـــه خـــواص کاتالیســـتی بـــدون بکارگیـــری زیرلایـــه اســـتفاده کردنـــد.
تولیـــد نانـــوذرات اکســـید فلـــزی، کاربیـــد فلـــزی و نیتریـــد فلـــزی بــا اعمــال قــوس در محیــط گازی مناســب یــا بــا اســتفاده از الکترودهـــا بـــا مـــواد واکنـــش دهنـــده ی مناســـب امـــکان پذیـــر اســـت.

بـــرای مثـــال، بالاســـابرامانیان و همکارانـــش ذرات مکعبـــی AlN در ابعـــاد 80-15 نانومتـــر را بـــا اعمـــال قـــوس بیـــن کاتـــد تنگســـتنی و آنـــد آلومینیومـــی در محیـــط گازی نیتـــروژن و آرگـــون ســـنتز کردنـــد.

در بخش بعدی به ادامه بحث می پردازیم.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


در ادامه بخش قبل خواهیم داشت :

ایواتـــا و همـــکاران متوجـــه شـــدند کـــه دمـــش ترکیـــب گازی نیتروژن-آمونیـــاک در پلاســـمای آلومینیـــوم بـــرای ایجـــاد نانـــوذرات AlN بـــر روی دیـــواره پمـــپ مکـــش مفیـــد اســت.


رکســر و همــکاران یــک واحــد قــوس پالســی بــا جایگزیــن کــردن شــار دایــم گاز بــا شــار پالســی ابــداع کردنـــد.

دیگـــر روش هـــای مرتبـــط مشـــتمل بـــر پلاســـمای حرارتـی و فرکانـس رادیویـی ( RF ) بودنـد.
روش آخــر بــه طــور گســترده بــرای تولیــد نانــوذرات Si مــورد اســـتفاده قـــرار می گرفـــت.

نانوپودرهـــای فریتـــی از Ni-Mn-Fe بـــا ابعـــاد 30-20 نانومتـــر نیـــز بـــا اســـتفاده از روش پلاســمای فرکانــس رادیویــی ســنتز شــده اســت.
نانوپودرهـــای TiO2 بـــا اکسیداســـیون پلاســـمایی تیتانیـــوم بوتاکســـید پایـــدار شـــده دیتانالومیـــن تولیـــد می شـــدند.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


همانطور که قبلا اشاره کردیم یکی از روش های فیزیکی سنتز نانوبلورها، برش لیزر می باشد.
در این بخش به توضیح مختصر آن می پردازیم.

برش لیزر :

بـــرش لیـــزر نـــه تنهـــا بـــرای فلـــزات بلکـــه بـــرای مـــواد دیرگـــداز نیـــز مناســـب اســـت. اگرچـــه شـــاید حاصـــل کار خیلـــی راضـــی کننـــده نباشـــد.

معمـــولا از یـــک لیـــزر  رادیواکتیـــو پالســـی یـــا یـــک لیـــزر Nd:YAG اســـتفاده می شـــود.

گروهـــی در آزمایشـــگاه ملـــی الورنـــس لیورمـــور از ایـــن روش بـــرای ســـنتز نانـــوذرات فلـــزات اکتنیـــدی اســـتفاده کردنـــد.

ابـــزار آن هـــا منحصـــرا بـــرای مطالعـــه ی مـــواد بســـیار ســـمی و رادیواکتیـــو بـــا مقادیـــر کـــم مناســـب بـــود. مزیـــت دیگـــر روش بـــرش لیـــزر حفـــظ کامـــل ترکیـــب نمونـــه اســـت.


در بخش بعدی به ادامه موضوع خواهیم پرداخت.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_ طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


در ادامه بخش قبل داریم:


بـــرای مثـــال، ســـا و همـــکاران نانـــوذرات غیراســـتوکیومتری 1و7 VO را از نمونـــه ای بـــا همیـــن ترکیـــب تولیـــد کردنـــد. 
ذرات متعاقبـــا اکســـید شـــده و بـــه 2 VO تبدیـــل شـــدند.

نـــوع دیگـــری از ایـــن روش، روش انبســـاط فـــرا صوتـــی اســت کــه دوده تولیــد شــده از پالــس لیــزر توســط پالــس گاز خنثـــی بـــه یـــک ســـوراخ حمـــل شـــده تـــا انبســـاط آدیاباتیـــک صـــورت پذیـــرد، کـــه منجـــر بـــه تشـــکیل نانوخوشـــه ها می شـــود.

هارفنیســـت و همـــکاران نانـــوذرات نقـــره انتخـــاب شـــده بـــر حســـب جـــرم را از ایـــن روش ســـنتز کـــرده و آن هـــا را بـــه حالـــت محلـــول در بیـــرون محفظـــه نگـــه داری کردنـــد.

بـــه خاطـــر محدودیـــت زمانــی و فضایــی گونــه هــای گازی بــا ســرعت فراصــوت، ایـــن روش نیازمنـــد ابـــزار پیشـــرفته ای اســـت.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :



یکی دیگر از روش های فیزیکی سنتز نانوبلورها، پاشش یون می باشد؛ که به آن می پردازیم.

پاشش یون :

در ایـــن روش، یون هـــای شـــتاب گرفتـــه ماننـــد +Ar به ســـطح نمونـــه جهـــت دهـــی شـــده و اتـــم و خوشـــه های کوچـــک را از ســـطح نمونـــه بیـــرون می اندازنـــد.
یون هـــا تحـــت فشـــار بســـیار بـــالا از گاز خنثـــی ( نزدیـــک 1mTorr ) بـــه ســـمت زیـــر لایـــه حمـــل می شـــوند و تـــوده ای از گونه هـــا ایجـــاد می شـــود.

نانـــوذرات فلـــزات و آلیاژهـــا نیــز هماننــد نیمــه رســاناها بــا اســتفاده از ایــن روش ســنتز شـــده اند.

اوربـــان و همـــکاران تشـــکیل نانـــوذرات فلـــزات مختلـــف را بـــه روش پاشـــش مغناطیســـی نشـــان داده انـــد.
آنهـــا اشـــعه های مـــوازی از نانـــوذرات تشـــکیل داده و ســـپس آن هـــا را بـــه صـــورت نانـــو غشـــا بـــر روی زیرلایـــه سیلیســـیمی می نشـــاندند.

بابونـــا و همـــکاران نانـــوذرات کـــروی و کشـــیده ی آهـــن دفـــن شـــده در زمینـــه کربنـــی را تولیـــد کردنـــد.

بریچـــر و همـــکاران مشـــاهدات جالبـــی از تشـــکیل نانـــوذرات طـــلا تحـــت فشـــار یـــون هـــای زنـــون مشـــاهده کردنـــد.

[فاطمه الهامی نیا]

کیش تک_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی :


همانطور که قبلا اشاره شد برای سنتز نانوبلورها از روش های فیزیکی و شیمیایی استفاده می شود.
حال به روش های شیمیایی می پردازیم.

روش های شیمیایی :

روش هـــای شـــیمیایی بـــرای ســـنتز نانـــو بلورهـــای مـــواد مختلـــف بســـیار مـــورد توجـــه قـــرار گرفتـــه انـــد.

ایـــن روش هـــا معمـــولا تحـــت شـــرایط ملایـــم انجـــام گرفتـــه و نســبتا ســاده و قابــل فهــم انــد. مواد نانــو بــه شــکل جامــد، مایـــع و فـــوم هـــا بـــه روش هـــای شـــیمیایی ســـنتز شـــده و در بـــازه زمانـــی خاصـــی مـــورد اســـتفاده قـــرار می گیرنـــد.


در مطالـــب پیـــش رو، تمرکـــز بحـــث بیشـــتر بـــر روی روش هـــای ســـنتز نانوبلورهـــای مجـــزا و قابـــل پخـــش شـــدن در محلـــول هـــا مـــی باشـــد.


هـــر واکنـــش شـــیمیایی کـــه در محلـــول انجـــام می گیـــرد مشـــتمل بـــر 3 مرحلـــه اســـت :
جوانـــه زنـــی
رشـــد ذرات 
پایـــان رشـــد بـــا یـــک محـــدود کننـــده

ادامه بحث در بخش های بعدی گفته می شود.