روش‌های تولید نانو ذرات

با توسعه فناوری نانو در زمینه‌های مختلف صنعتی نیاز روز افزون به تولید نانو ذرات مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است. نانو ذرات به دو روش کلی، بالا به پایین و پایین به بالا قابل تولید هستند. در روش‌های بالا به پایین، ذرات از حالت بالک و توده‌ای با استفاده از ابزارهای مکانیکی به حالت نانومتری تبدیل می‌شوند. اما در روش پایین به بالا، مواد نانومتری با استفاده از به هم پیوستن واحدهای سازنده مانند اتم‌ها و مولکول‌ها و قرار دادن آن‌ها در کنار یکدیگر تولید می‌شوند. در روش بالا به پایین حجم بسیار زیادی از مواد زائد حاصل از تراش دور ریخته می شود ولی روش پایین به بالا ضایعات کمتری دارد و زمان و انرژی لازم در آن نیز کمتر است. علاوه بر این استحکام ماده تولیدی نیز به علت ایجاد پیوندهای قوی‌تر بین ذرات تشکیل دهنده بالا می رود.

شکل ۱: شماتیک روش تولید پودر بالا به پایین و پایین به بالا.

از جمله روش‌های مرسوم بالا به پایین شامل موارد زیر است:

• آسیاب کردن
• خردایش
• له کردن
• بریدن
• تغییر شکل پلاستیک

این روش‌ها دارای معایبی هستند که به شرح زیر است:

• آلودگی و ناخالصی ناشی از ماده ساینده
• ایجاد ساختار خشن در پودرهای تولیدی
• عدم یکنواختی در اندازه دانه‌ها
• ترکیب شیمیایی غیر یکنواخت

بیشتر بخوانید: نانو مواد و فرآیندهای پوشش دهی

روش‌های پایین به بالا به دلیل نداشتن عیوب روش‌های قبلی بیشتر مورد توجه هستند. از جمله روش‌های مرسوم‌تر پایین به بالا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱. روش سل-ژل

فرآیند سل- ژل یک روش شیمیایی‌تر برای سنتز انواع نانو ساختارها به ویژه نانو ذرات ‏اکسید فلزی است. در این روش مواد اولیه در آب یا الکل حل ‏شده و با حرارت و همزدن در اثر هیدرولیز به ژل تبدیل می‌شود. در ادامه باید ژل ‏را خشک کرد که برای محلول الکلی می‌تواند با سوختن الکل انجام پذیرد. پس از خشک کردن ژل، ‏پودر ایجاد شده و پودر حاصله را جهت کلسینه شدن حرارت می‌دهند. روش سل-ژل روش ارزانی است و به دلیل دمای پایین واکنش می‌توان کنترل مناسبی بر ترکیب ‏شیمیایی محصولات داشت. روش سل-ژل می‌تواند در فرآیند ساخت سرامیک‌ها و فیلم‌های خیلی نازک از اکسیدهای فلزی برای فرآیندهای مختلف ‏استفاده شود. مواد حاصل از روش تهیه سل-ژل می‌تواند در موارد متفاوت نوری، ‏الکترونیک، انرژی، سطح، سنسورهای زیستی، دارویی و تکنولوژی جداسازی (مثل کروماتوگرافی) ‏به کار برده شود.

شکل ۲. شماتیک فرایند سل-ژل

۲. روش همرسوبی

از دیگر روش‌های رایج سنتز در محلول، روش همرسوبی است که برای سنتز سرامیک‌های اکسیدی چند جزئی به کار می‌ رود. در این روش، مخلوطی از رسوب‌های غیر انحلال پذیر ایجاد می‌شود که این رسوبات به صورت همزمان از محلول جدا می‌شوند. پیش‌ ماده‌هایی که در این روش استفاده می‌شوند عمدتاً نمک‌های معدنی (نیترات، کلراید، سولفات و ..) هستند که در آب یا محیط مناسب دیگر حل می‌شوند. پس از آن، محلول در معرض تغییرات pH محلول یا تبخیر قرار می‌‌گیرد تا به عنوان نیرویی برای رسوب نمک‌ها (هیدروکسیدها و اکسیدهای آبی) عمل کند. رشد کریستال و آگلومراسیون آن، تحت تاثیر عواملی چون غلظت نمک، دما، pH حقیقی محلول و نرخ تغییرات pH قرار می‌‌گیرد. پس از رسوب‌ گذاری، جرم جامد جمع ‌آوری و شسته می‌شود و به تدریج توسط حرارت دادن تا نقطه جوش محیط خشک می‌شود. بسیاری از ترکیباتی که با این روش (خصوصاً در دماهای پایین) تولید می‌شوند، آمورف هستند و برای دستیابی به محصولاتی با ساختار بلوری مناسب، عملیات حرارتی ثانویه‌ای مورد نیاز است. معمولاً یک مرحله کلسینه کردن برای تبدیل هیدروکسید به اکسیدهای کریستالیتی انجام می‌شود.

۳. روش هیدروترمال

برای سنتز به روش هیدروترمال در مقیاس آزمایشگاهی عمدتاً از اتوکلاو تحت فشار بالا استفاده می‌شود که بسته به نوع فرایند انواع مختلفی دارد. در این نوع فرایند پس از تهیه پیش ماده‌ها، محلول در داخل محفظه اتوکلاو قرار می‌گیرند. درون اتوکلاو تحت فشار و دمای معین، نمونه حاصل از داخل محفظه اتوکلاو خارج شده و خشک می‌شود. در برخی از موارد به خصوص در مورد سنتز نیمه‌‌هادی‌ها و کاتالیست‌ها، کلسینه و خشک کردن را در اتمسفر کنترل شده شامل گازهای خنثی، اکسیژن و نیتروژن انجام می‌دهند.

شکل ۳. شماتیک سنتز هیدروترمال