روش های سنتز نانوذرات

روش های سنتز نانوذرات

به طور کلی روش های سنتز نانوذرات مختلف به دو دسته تقسیم میشوند. روش بالا به پایین و روش پایین به بالا. در روش بالا به پایین از توده حجیم به اجزاء نانومتری میرسیم. و در روش پایین به بالا از به هم پیوستن اتم های سازنده نانو مواد تشکیل میشوند. در ادامه روش های سنتز نانوذرات به طور کامل بررسی میشوند.

روش‌های بالا به پایین (Top-Down)

در روش بالا به پایین مواد در ابعاد بزرگ به صورت فیزیکی به مولکول‌های کوچک‌تر تجزیه می‌شوند، از جمله روشهای بالا به پایین به روـش آسیاب کردن، فرسایش لیزری و فرسایش جرقه‌ای و تخلیه قوس الکتریکی میتوان اشاره کرد.

آسیاب کردن (Mechanical Milling)

آسـیاب کردن روشی متداول برای تولید مواد در مقیاس نانو از مواد حجیم است. آسیـاب مکـانیکی روشی موثر برای تولید نانو مواد با فازهای مختلف است و در تولید نانوکامپوزیت‌ها مفید است. آسیاب مکـانیکی برای تولید آلیاژهای آلومینیومی تقویت شده با اکسید و کاربید، پوشش های مقاوم در برابر سایش کاربـرد دارد. همچنین در نانو آلیاژهای مبتنی بر آلومینیوم،نیکل،منیزیم،مس و بسیاری از مواد نانوکامپوزیتی دیگر استفاده می شود.

الکتروریسی (Electro spinning)

الکتروریسی یکی از ساده‌ترین روشهای از بالا به پایین برای توسعه مواد نانوساختار است. به طور کلی برای تولید نانوالیاف از موادی همچون پلیمرها استفاده می شود. یکی از پیشرفت های مهم در الکتروریسی، الکتروریسی کواکسیال میباشد. در الکتروریسی کواکسیال، اسپینر از دو مویرگ هم محور تشکیل میشود. در این مویرگ ها، دو مایع چسبناک یا یک مایع چسبناک به عنوان پوسته و یک مایع غیر چسبناک به عنوان هسته، می توانند برای تشکیل نانوساختار هسته-پوسته در یک میدان الکتریکی استفاده شوند. الکتروریسی کواکسیال یک روش موثر و ساده از بالا به پایین برای دستیابی به الیاف فوق نازک هسته-پوسته در مقیاس بزرگ است. طول این نانومواد فوق نازک را می توان تا چندین سانتی متر افزایش داد. این روش برای توسعه هسته-پوسته و پلیمر توخالی، غیر آلی، آلی و مواد هیبریدی استفاده میشود.

لیتوگرافی (Lithography)

لیتـوگرافی یکی از روش های سنتز نانوذرات با استفاده از پرتو متمرکز نور یا الکترون است. لیتـوگرافی را می توان به دو نوع اصلی تقسیم کرد: لیتوگرافی ماسک دار و لیتوگرافی بدون ماسک. در روش ماسک دار، نانومواد با استفاده از یک ماسک یا قالب خاص در سطح وسیعی منتقل می شوند. لیتوگرافی ماسک دار شامل فتولیتوگرافی، لیتوگرافی نانوایمپرینت و لیتوگرافی نرم است. در روش بدون ماسک، نوشتن نانوالگوی دلخواه بدون دخالت ماسک انجام می شود. می توان از طریق کاشت یونی با پرتو یون متمرکز به همراه اچینگ شیمیایی مرطوب، شکل سه بعدی میکرو- نانو را به دست آورد.

کندوپاش کردن (Sputtering)

کنـدوپاش فرآیندی است که برای تولید نانومواد از طریق بمباران سطوح جامد با ذرات پر انرژی مانند پلاسما یا گاز استفاده می شود. کندوپتاش به عنوان یک روش موثر برای تولید لایه‌های نازک نانومواد در نظر گرفته می‌شود. در فرآیند رسوب کندوپاش، یون‌های گازی پرانرژی سطح هدف را بمباران می‌کنند و باعث بیرون راندن فیزیکی خوشه‌های اتمی کوچک بسته به انرژی یون گازی می‌شوند.

فرآیند کندوپـاش را می توان به روش های مختلفی انجام داد، مانند استفاده از مگنترون، دیود فرکانس رادیویی، و کندوپاش دیود. یک ولتاژ بالا به کاتد اعمال می شود و الکترون های آزاد با گاز برخورد می کنند تا یون های گاز تولید کنند. یون‌های دارای بار مثبت به شدت در میدان الکتریکی به سمت هدف کاتدی شتاب می‌گیرند که این یون‌ها به طور مداوم به آن ضربه می‌زنند و در نتیجه اتم‌ها از سطح هدف خارج می‌شوند. کندوپاش مگنترون برای تولید نانو فیلم های لایه ای و کاغذ کربنی استفاده می‌شود.

تخلیه قوس الکتریکی (The arc discharge method)

روش تخلیه قوس الکتریکی یکی از روش های سنتز نانوذرات میباشد. این روش منجر به تولید مواد مبتنی بر کربن مانند فولرن ها، نانو لوله های کربنی و گرافن چند لایه میشود. در روش تخلیه قوس الکتریکی نانومواد مختلف مبتنی بر کربن از موقعیت‌های مختلف جمع‌آوری می‌شوند، زیرا مکانیسم های رشد آنها متفاوت است. روش تخلیه قوس اهمیت زیادی در تولید نانومواد فولرن ها دارد. در فرآیند تشکیل، دو میله گرافیتی در محفظه ای تنظیم می شوند که در آن فشار هلیوم مشخصی حفظ می شود. پر کردن محفظه با هلیوم خالص اهمیت دارد زیرا وجود رطوبت یا اکسیژن مانع تشکیل فولرن می شود. تبخیر میله کربن توسط تخلیه قوس بین انتهای میله های گرافیتی انجام می شود.

سنتز فرسایش لیزری (Laser ablation)

در روش فرسایش لیزری تولید نانوذرات با استفاده از پرتو لیزر قدرتمندی که به ماده هدف برخورد می کند انجام میشود. در طی فرآیند فرسایش لیزر، ماده اصلی یا پیش ماده به دلیل انرژی بالای تابش لیزر تبخیر می شود و در نتیجه نانوذرات تشکیل می شود. استفاده از لیزر فرسایش برای تولید نانوذرات فلز نجیب به عنوان یک روش سبز تلقی میشود، زیرا نیازی به عوامل تثبیت کننده یا سایر مواد شیمیایی نیست. فرسایش لیزری پالسی در مایعات یک رویکرد هیجان انگیز برای تولید محلول های نانوذرات کلوئیدی تک پراکنده بدون استفاده از سورفکتانت ها یا لیگاندها است. خواص نانوذرات مانند اندازه و توزیع متوسط ذرات را می توان از طریق تنظیم جریان، طول موج تنظیم کرد.

روشهای پایین به بالا (Bottom-Up)

روش‌ های سنتز نانوذرات از پایین به بالا اغلب روش‌های مرطوب نامیده می‌شوند زیرا شامل دسته‌هایی از حلال‌ها و سایر مواد شیمیایی می‌شوند. علاوه بر این، ذرات اغلب باید تثبیت شوند یا در محلول پوشانده شوند تا اطمینان حاصل شود که رشد آنها از محدوده نانومقیاس ادامه نمی یابد. معمولاً ذرات برای کاربرد یا مشخصه‌یابی باید از محلول‌هایشان جدا یا منتقل شوند. نانوذرات به طور معمول با استفاده از روش‌های شیمی مرطوب سنتز می‌شوند که شامل تشکیل نانوذرات در یک محلول و سپس حذف حلال و سایر مواد از ذرات میباشد. این روش سنتز به زمان و مواد شیمیایی زیادی نیاز دارد و مواد حاصل ممکن است با باقی مانده های محلول آلوده شود.

روش سل- ژل (Sol-Gel)

روش سل- ژل یک روش شیمیایی مرطوب است که به طور گسترده برای توسعه نانومواد استفاده می شود. این روش برای توسعه انواع مختلف نانومواد بر پایه اکسید فلزی با کیفیت بالا استفاده می شود. این روش سـل-ژل نامیده می شود زیرا در طول سنتز نانوذرات اکسید فلز، پیش ماده مایع به یک سل تبدیل می شود و در نهایت سل به ساختار شبکه ای تبدیل می شود که ژل نامیده می شود.

پیش سازهای معمولی برای تولید نانومواد در روش این روش آلکوکسیدهای فلزی هستند. فرآیند سنتز نانوذرات از طریق روش سـل-ژل را می توان در چند مرحله تکمیل کرد. در مرحله اول، هیـدرولیز اکسید فلز در آب یا با کمک الکل انجام می شود تا یک سل تشکیل شود. در مرحله بعدی، تراکم صورت می‌گیرد و در نتیجه ویسکوزیته حلال افزایش می‌یابد. و ساختارهای متخلخلی تشکیل میشوند. در طول فرآیند تراکم، تغییر در ساختار، خواص و تخلخل ادامه می یابد و تخلخل کاهش می یابد و فاصله بین ذرات کلوئیدی افزایش می یابد. پس از آن، خشک شدن صورت می گیرد که در آن آب و حلال های آلی از ژل حذف می شوند. در نهایت، کلسینه کردن برای دستیابی به نانوذرات انجام می شود.

رسوب بخار شیمیایی (Chemical Vapor Deposition)

یک لایه نازک بر روی سطح بستر از طریق واکنش شیمیایی پیش سازهای فاز بخار تشکیل می شود. در این فرایند پیش ماده باید دارای فراریت بالا،خلوص شیمیایی بالا، پایداری زیاد و مقرون به صرفه باشد. به طور مثال در تولید نانولوله های کربنی یک بستر در اجاق قرار دارد. و تا دمای بالا گرم میشود و یک گاز حاوی کربن به بستر اعمال میشود. از طرفی تجزیه گاز، اتم های کربن آزاد میکند و با هم ترکیب میشوند و نانو لوله های کربنی روی بستر تشکیل میشوند.

روش هیدروترمال و انحلال گرمایی (Solvothermal and hydrothermal )

فرآیند هیـدروترمال یکی از شناخته شده‌ترین و پرکاربردترین روش‌هایی است که برای تولید مواد نانوساختار استفاده می‌شود. در روش هیدروترمال، مواد نانوساختار از طریق یک واکنش ناهمگن در محیط آبی در فشار و دمای بالا در اطراف به دست می‌آیند. روش حلال گرمایی نیز مانند روش هیدروترمال است. تنها تفاوت این است که در یک محیط غیر آبی انجام می شود. این دو روش عموماً در سیستم‌های بسته انجام می‌شوند. روش هیـدروترمال به کمک مایکروویو اخیراً توجه زیادی را برای مهندسی نانومواد، به خود جلب کرده است. انحلال گرمایی و هیدروترمال روشی مناسب برای ساخت انواع نانو مواد، مانند نانوسیم‌ها، نانومیله‌ها، نانوصفحات و نانوکره ها میباشند.

روش سـخت و نرم (Soft and hard  methods)

قالـب نـرم و سـخت معمولا برای تولید نانومواد متخلخل استفاده می شود. روـش  نــرم یک روش مرسوم ساده برای تولید مواد نانوساختار است. این روش به دلیل اجرای ساده، شرایط آزمایشی نسبتاً ساده و توسعه مواد سودمند در نظر گرفته شده است. کوپلیمرها، مولکول‌های آلی انعطاف‌پذیر، و سورفکتانت‌های آنیونی، کاتیونی و غیر یونی برای سنتز ساختارهای مزوپور سه بعدی استفاده می شوند.

به طور کلی، برای سنتز از مواد مزو متخلخل استفاده میشود. عوامل متعددی می‌توانند بر ساختارهای مواد مزو متخلخل حاصل از میسل‌های چین‌دار سه بعدی تأثیر بگذارند، مانند غلظت سورفکتانت و پیش‌ساز، نسبت سورفکتانت به پیش ماده، ساختار سورفکتانت و شرایط محیطی. اندازه منافذ مواد نانو متخلخل را می توان از طریق تغییر طول زنجیره کربنی سورفکتانت یا معرفی عوامل کمکی گسترش منافذ تنظیم کرد. طیف وسیعی از مواد نانوساختار مانند نانوکره های کربنی را به این روش میتوان تولید کرد.
روش قالب سخت را نانو ریخته گری نیز می گویند. مواد جامد به عنوان قالـب استفاده می شوند و منافذ قالب جامد با مولکول های پیش ساز پر می شوند تا به نانوساختارها برای کاربردهای مورد نیاز دست یابند. بهتر است قالب ها در طول فرایند ساختاری متخلخل داشته باشند و به راحتی قابل جابه جایی باشند.

در مرحله اول، قالب اصلی مناسب انتخاب می شود. سپس، یک پیش ماده مورد نظر در مزوپورهای الگو پر می شود تا آنها را به یک جامد معدنی تبدیل کند. در مرحله آخر، الگوی اصلی برای دستیابی به قالب مزوپور حذف می‌شود. از طریق استفاده از قالب‌های مزوپور، مواد نانوساختار منحصربه‌فردی مانند نانوسیم‌ها، نانومیله‌ها، مواد نانوساختار سه بعدی، اکسیدهای فلزی نانوساختار و بسیاری از نانوذرات دیگر را می‌توان تولید کرد.

روش میسل معکوس ( Reverse micelle method)

این روش نیز تکنیکی مفید برای سنتز نانوذرات با شکل و اندازه دلخواه است. امولسیون روغن در آب منجر به میسل‌های معمولی می‌شود که در آن بخش های آبگریز به سمت هسته‌ای که قطرات روغن را درون آن به دام انداخته است، حرکت میکنند.

در حالی که، میسل های معکوس در امولسیون آب و روغن زمانی تشکیل می شوند که در آن سرهای آبدوست به سمت هسته ای که حاوی آب است حرکت می کنند. هسته میسل های معکوس به عنوان یک نانوراکتور برای سنتز نانوذرات عمل می کند. به عنوان حوضچه آب برای توسعه نانومواد عمل می کند. اندازه این نانوراکتورها با تغییر نسبت آب به سورفکتانت کنترل میشود و در نهایت بر اندازه نانوذرات سنتز شده از طریق این روش تأثیر می گذارد. اگر غلظت آب کاهش یابد، منجر به قطرات کوچکتر آب و در نتیجه تشکیل نانوذرات کوچکتر می شود. نانوذرات توسعه یافته از طریق روش میسل معکوس به طرز شگفت انگیزی ریز و در طبیعت پراکنده هستند.

روش سنتز سبز و سنتز زیستی (Green Synthesize)

یکی از روش های سنتز نانوذرات سنتز سبز میباشد که در مقایسه با روشهای فیزیکی و شیمیایی، غیر سمی و بدون آلودگی،سازگار با محیط زیست و پایدارتر میباشند. در این روش از گیاهان و موجودات زنده مانند جلبک ها، سیانوباکتری ها، باکتری ها، ویروس ها، مخمرها، قارچ ها استفاده می شود. از موجودات بیولوژیکی یا عصاره های آنها برای سنتز سبز نانوذرات فلزی از طریق کاهش زیستی ذرات فلزی که منجر به سنتز نانوذرات می شود، استفاده می شود.

عصاره های گیاهی همچنین منبعی جذاب برای سنتز سبز نانوذرات از فلزات سنگین میباشد، زیرا کربوهیدرات‌ها، پروتئین‌ها و کوآنزیم‌های موجود در گیاهان پتانسیل کاهش نمک فلزات و تبدیل آنها به نانوذرات را دارند. به عنوان مثال از گیاهان برای ایجاد نانوذرات نقره و طلا و سایر نانوذرات فلزی استفاده می شود. نانو ذرات فلزی تولید شده به این روش ها دارای طیف وسیعی از کاربردهای دارویی میباشند. از جمله این کاربردها میتوان به تحویل دارو یا ژن، تشخیص بیماری ها یا پروتئین ها و مهندسی بافت اشاره کرد.

آشنایی با مفهوم نانوذرات