روش های سنتز نانومواد

نانومواد به عنوان یک کلاس شگفت انگیز از مواد که شامل طیف گسترده ای از نمونه ها با حداقل یک بعد در محدوده 1 تا 100 نانومتر است، ظهور کرده اند. سطح فوق العاده بالایی را می توان از طریق طراحی منطقی مواد نانو به دست آورد. مواد نانو را می توان با خواص مغناطیسی، الکتریکی، نوری، مکانیکی و کاتالیزوری برجسته تولید کرد که به طور قابل توجهی با همتایان عمده خود متفاوت است. خواص نانومواد را می توان از طریق کنترل دقیق اندازه، شکل، شرایط سنتز و عملکرد مناسب به دلخواه تنظیم کرد. این بررسی تاریخچه مختصری از نانومواد و استفاده از آنها در طول تاریخ برای ایجاد پیشرفت در توسعه فناوری نانو مواد را مورد بحث قرار می دهد. به طور خاص، ما اصطلاحات مختلف مربوط به نانومواد را توصیف و تعریف می کنیم. روش‌های مختلف سنتز مواد نانو، از جمله رویکردهای بالا به پایین و پایین به بالا، مورد بحث قرار گرفته‌اند. این بررسی پیشرفت‌ها را در نانومواد، به‌ویژه فولرن‌ها، نانولوله‌های کربنی، گرافن، نقاط کوانتومی کربنی، نانوالماس‌ها، نانوشاخه‌های کربنی، مواد نانومتخلخل، نانوذرات هسته‌پوسته، سیلیسن، آنتی‌مونن، MXenes، نانو ورق‌های دوبعدی MOF، نانو ورقه‌های هیدرولیک، بورون‌ها توصیف می‌کند. و  Nano materialsمبتنی بر فلز. در نهایت، ما با بحث در مورد چالش ها و دیدگاه های آینده مربوط به نانومواد نتیجه گیری می کنیم.

طول یک نانومتر را می توان از طریق مثال پنج اتم سیلیکون یا 10 اتم هیدروژن که یک نانومتر است درک کرد. موادی که اندازه یا یکی از ابعاد آنها در محدوده 1 تا 100 نانومتر باشد به عنوان نانومواد تعریف می شوند. روشن کردن تاریخ دقیق استفاده از اشیاء با ابعاد نانو توسط انسان دشوار است. با این حال، تاریخچه استفاده از نانومواد قدیمی است و بشر مدت‌ها پیش ناخودآگاه از این مواد برای کاربردهای مختلف استفاده می‌کرد. حدود 4500 سال پیش، انسان‌ها از نانوالیاف آزبست برای تقویت مخلوط‌های سرامیکی استفاده کردند. مصریان باستان حدود 4000 سال پیش با نانوذرات PbS آشنا بودند و از آن‌ها در یک فرمول رنگرزی باستانی استفاده می‌کردند. جام لیکورگوس نمونه جالب دیگری از گذشته این یک جام دو رنگ است که توسط رومیان در قرن چهارم پس از میلاد تولید شده است و در نور مستقیم شبیه یشم است، در حالی که در مورد نور عبوری رنگ یاقوتی شفاف را نشان می دهد. بسته به نور فرود، تغییرات رنگی را نشان می دهد. این تغییرات رنگی به دلیل وجود نانوذرات Ag و Au.4 ظاهر می شود.

رویکردهای سنتز نانومواد

آسیاب مکانیکی

روشی مقرون به صرفه برای تولید نانو مواد از مواد حجیم است. آسیاب مکانیکی روشی موثر برای تولید مخلوط‌های فازهای مختلف است و در تولید نانوکامپوزیت‌ها مفید است. اصل روش آسیاب گلوله آسیاب مکانیکی برای تولید آلیاژهای آلومینیومی تقویت شده با اکسید و کاربید، پوشش های اسپری مقاوم در برابر سایش، نانو مواد آلیاژ مبتنی بر آلومینیوم/نیکل/منیزیم/مس و بسیاری از مواد نانوکامپوزیتی دیگر استفاده می شود. نانومواد کربنی آسیاب شده با گلوله به عنوان یک کلاس جدید از نانومواد در نظر گرفته می‌شوند و فرصتی را برای رفع نیازهای محیطی، ذخیره‌سازی انرژی و تبدیل انرژی فراهم می‌کنند.

الکتروریسی

یکی از ساده‌ترین روش‌های از بالا به پایین برای توسعه مواد نانوساختار است. به طور کلی برای تولید نانو موادالیاف از طیف گسترده ای از معمولاً پلیمرها استفاده می شود. یکی از پیشرفت های مهم در الکتروریسی، الکتروریسی کواکسیال بود. در الکتروریسی کواکسیال، اسپینر از دو مویرگ هم محور تشکیل شده است. 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 نانومواد 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 شده است.

لیتوگرافی

این روش می توان به دو نوع اصلی تقسیم کرد: لیتوگرافی ماسک دار و لیتوگرافی بدون ماسک. در نانولیتوگرافی ماسک دار، نانوموادها با استفاده از یک ماسک یا قالب خاص در سطح وسیعی منتقل می شوند. لیتوگرافی نقابدار شامل فتولیتوگرافی،  لیتوگرافی نانوامپرینت،  و لیتوگرافی نرم است. در لیتوگرافی بدون ماسک، نوشتن نانوالگوی دلخواه بدون دخالت ماسک انجام می شود. می توان از طریق کاشت یونی با یک پرتو یون متمرکز در ترکیب با اچ شیمیایی مرطوب، ساخت میکرو نانو شکل آزاد سه بعدی را به دست آورد.

کندوپاش

فرآیندی است که برای تولید نانومواد از طریق بمباران سطوح جامد با ذرات پر انرژی مانند پلاسما یا گاز استفاده می شود. کندوپاش به عنوان روشی مؤثر برای تولید لایه های نازک نانومواد در نظر گرفته می شود. در فرآیند رسوب کندوپاش، یون های گازی پرانرژی سطح هدف را بمباران می کنند و باعث بیرون راندن فیزیکی خوشه های اتمی کوچک بسته به انرژی یون گازی می شوند .فرآیند کندوپاش را می توان به روش های مختلفی انجام داد، مانند استفاده از مگنترون، دیود فرکانس رادیویی، و کندوپاش دیود DC. یک ولتاژ بالا به هدف کاتد اعمال می شود و الکترون های آزاد با گاز برخورد می کنند تا یون های گاز تولید کنند. یون‌های دارای بار مثبت در میدان الکتریکی به‌سوی هدف کاتدی به شدت شتاب می‌گیرند، که این یون‌ها به طور پیوسته به آن ضربه می‌زنند و در نتیجه اتم‌ها را از سطح هدف خارج می‌کنند. کندوپاش مگنترون برای تولید نانوفیلم‌های لایه‌ای WSe2 روی SiO2 و کاغذ کربنی استفاده می‌شود. زیرلایه ها. تکنیک کندوپاش جالب است زیرا ترکیب نانومواد پراکنده شده مانند مواد مورد نظر با ناخالصی های کمتر باقی می ماند و در مقایسه با لیتوگرافی پرتو الکترونی مقرون به صرفه است.

روش تخلیه قوسی

برای تولید مواد نانوساختار مختلف مفید است. این ماده بیشتر برای تولید مواد مبتنی بر کربن مانند فولرن ها، نانوشاخ های کربنی (CNHs)، نانولوله های کربنی، گرافن چند لایه (FLG) و نانوذرات کربن کروی آمورف شناخته شده است. روش تخلیه قوس اهمیت زیادی در تولید نانومواد فولرن 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 مهم است زیرا وجود رطوبت یا اکسیژن از تشکیل فولرن جلوگیری می کند. تبخیر میله های کربن توسط تخلیه قوس بین انتهای میله های گرافیتی انجام می شود.

شرایطی که در آن تخلیه قوس الکتریکی انجام می شود نقش مهمی در دستیابی به اشکال جدید Nano materials ایفا می کند. شرایطی که تحت آن مواد نانو مبتنی بر کربن مختلف از طریق روش تخلیه قوس تشکیل می‌شوند نانومواد مختلف مبتنی بر کربن از موقعیت‌های مختلف در طول روش تخلیه قوس جمع‌آوری می‌شوند، زیرا مکانیسم رشد آنها متفاوت است. MWCNTs ذرات گرافیت چندوجهی خلوص، گرافیت پیرولیتیک و ذرات نانو گرافیت را می توان از رسوبات آند یا کاتد یا رسوبات هر دو الکترود جمع آوری کرد. مورفولوژی های مختلف نانوشاخ های کربنی تک جداره (SWCNHs) را می توان در اتمسفرهای مختلف به دست آورد. به عنوان مثال، SWCNHدر اتمسفر محیطی تولید می شوند، در حالی که SWCNHهای "شبه مانند" در اتمسفرهای CO و CO2 تولید می شوند. شرایط موجود در طول سنتز گرافن می تواند بر خواص آن تأثیر بگذارد. ورقه‌های گرافن تهیه‌شده از طریق روش لایه‌برداری تخلیه قوس هیدروژنی از نظر هدایت الکتریکی برتر هستند و در مقایسه با مواردی که از طریق تخلیه قوس آرگون به دست می‌آیند، پایداری حرارتی خوبی دارند.

سنتز فرسایش لیزری

این روش شامل تولید نانوذرات با استفاده از یک پرتو لیزر قدرتمند است که به ماده هدف برخورد می کند. در طی فرآیند فرسایش لیزر، ماده منبع 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 می تواند به عنوان یک روش سبز در نظر گرفته شود، زیرا نیازی به عوامل تثبیت کننده یا سایر مواد شیمیایی نیست. نانومواد،  کامپوزیت های اکسیدی،  و سرامیک ها. فرسایش لیزری پالسی در مایعات یک روش هیجان انگیز برای تولید محلول های نانوذرات کلوئیدی تک پراکنده بدون استفاده از سورفکتانت ها یا لیگاندها است. ویژگی‌های نانوذرات مانند اندازه و توزیع متوسط ​​را می‌توان از طریق تنظیم جریان، طول موج و افزودن نمک لیزر تنظیم کرد. اندازه نانوذرات Pd سنتز شده به طور قابل ملاحظه ای تحت تأثیر طول موج و جریان لیزر پالسی قرار می گیرد.

رسوب بخار شیمیایی (CVD)

روش‌های رسوب بخار شیمیایی اهمیت زیادی در تولید نانومواد مبتنی بر کربن دارند. در CVD، یک لایه نازک بر روی سطح بستر از طریق واکنش شیمیایی پیش سازهای فاز بخار تشکیل می شود. یک پیش ماده در صورتی برای CVD مناسب در نظر گرفته می شود که دارای فراریت کافی، خلوص شیمیایی بالا، پایداری خوب در طول تبخیر، هزینه کم و غیر باشد. -طبیعت خطرناک و ماندگاری طولانی علاوه بر این، تجزیه آن نباید منجر به ناخالصی‌های باقیمانده شود. برای مثال، در تولید نانولوله‌های کربنی از طریق CVD، یک بستر در یک اجاق قرار داده می‌شود و تا دمای بالا گرم می‌شود. متعاقباً، یک گاز حاوی کربن (مانند هیدروکربن ها) به آرامی به عنوان پیش ساز به سیستم معرفی می شود. در دماهای بالا، تجزیه گاز اتم‌های کربن آزاد می‌کند که دوباره با هم ترکیب می‌شوند و نانولوله‌های کربنی روی بستر تشکیل می‌دهند. در تهیه گرافن مبتنی بر CVD، کاتالیزورهای Ni و Co گرافن چند لایه را فراهم می کنند، در حالی که کاتالیزور مس گرافن تک لایه را فراهم می کند.

روش های حل گرمایی و هیدروترمال

فرآیند هیدروترمال یکی از شناخته‌شده‌ترین 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. نقطه بحرانی در یک ظرف مهر و موم شده. روش حل گرمایی مانند روش هیدروترمال است. تنها تفاوت این است که در یک محیط غیر آبی انجام می شود. روش‌های هیدروترمال و حل‌گرمایی عموماً در سیستم‌های بسته انجام می‌شوند. روش هیدروترمال به کمک مایکروویو اخیراً توجه قابل توجهی را برای مهندسی نانومواد، ترکیبی از محاسن هر دو روش هیدروترمال و مایکروویو، به خود جلب کرده است. نانو هندسه‌های مختلف مواد مانند نانوسیم‌ها، نانومیله‌ها، نانوصفحات.

روش سل-ژل

روش سل-ژل یک روش شیمیایی مرطوب است که به طور گسترده برای توسعه نانو مواد استفاده می شود. این روش برای توسعه انواع مختلف نانومواد بر پایه اکسید فلزی با کیفیت بالا استفاده می شود. این روش را روش سل-ژل می نامند 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 تولید نانومواد با استفاده از روش سل-ژل آلکوکسیدهای فلزی هستند. فرآیند سنتز نانوذرات از طریق روش سل-ژل را می توان در چند مرحله تکمیل کرد. در مرحله اول، هیدرولیز اکسید فلز در آب یا با کمک الکل انجام می شود تا یک سل تشکیل شود. در مرحله بعد، تراکم صورت می گیرد و در نتیجه ویسکوزیته حلال افزایش می یابد و ساختارهای متخلخلی ایجاد می شود که پیر می شوند. در طی فرآیند تراکم یا چند تراکم، پل های هیدروکسو- (M-OH-M) یا اکسو- (M-O-M) تشکیل می شود که منجر به تشکیل فلز-هیدروکسو- یا فلز-اکسو-پلیمر در محلول می شود. در طول فرآیند پیری پلی تراکم با تغییر در ساختار، خواص و تخلخل ادامه می یابد. در طول پیری، تخلخل کاهش می یابد و فاصله بین ذرات کلوئیدی افزایش می یابد. پس از فرآیند پیری، 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. عواملی که بر محصول نهایی به دست آمده از طریق روش سل-ژل تأثیر می گذارند، ماهیت پیش ساز، سرعت هیدرولیز، زمان پیری، pH و نسبت مولی بین H2O و پیش ساز هستند. روش سل-ژل از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است و دارای مزایای بسیار دیگری است، مانند همگن بودن ماده تولید شده در طبیعت، دمای پردازش پایین، و روشی آسان برای تولید کامپوزیت ها و نانوساختارهای پیچیده.

روش های قالب بندی نرم و سخت

روش های قالب نرم و سخت به طور گسترده برای تولید از نانو مواد متخلخل استفاده می شود. روش قالب نرم یک روش مرسوم ساده برای تولید مواد نانوساختار است. روش قالب نرم به دلیل اجرای ساده، شرایط آزمایشی نسبتا ملایم و توسعه مواد با طیف وسیعی از مورفولوژی، سودمند در نظر گرفته شده است. کوپلیمرها، مولکول‌های آلی انعطاف‌پذیر، و سورفکتانت‌های آنیونی، کاتیونی و غیر یونی. میسل های کریستالی برای سنتز ساختارهای مزوپور مرتب شده سه بعدی استفاده می شوند. یکی از نمونه های کلاسیک شامل جامدات مزوپور، مانند سیلیکاهای مزو متخلخل منظومه لایه ای (MCM-50)، مکعبی (MCM-48) و شش ضلعی (MCM-41) است که با استفاده از سورفکتانت آلکیل تری متیل آمونیوم تولید می شوند. به طور کلی، برای سنتز از مواد مزو متخلخل سفارش داده شده از طریق یک روش قالب بندی نرم، دو فرآیند به نام‌های خود مونتاژ مشارکتی و قالب‌بندی کریستال مایع "واقعی" اتخاذ می‌شوند. 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 نانومتخلخل را می توان از طریق تغییر طول زنجیره کربنی سورفاکتانت یا معرفی عوامل کمکی گسترش منافذ تنظیم کرد. طیف وسیعی از مواد نانوساختار مانند نانوکره های کربنی پلیمری مزو متخلخل،  نانومیله تک کریستالی،  آلومینا متخلخل، و گرافن مزو متخلخل با دوپ N،  را می توان از طریق روش قالب نرم تولید کرد.

روش قالب سخت را نانو ریخته گری نیز می نامند. مواد جامد با طراحی خوب به عنوان الگو استفاده می شوند و منافذ قالب جامد با مولکول های پیش ساز پر می شوند تا به نانوساختارها برای کاربردهای مورد نیاز دست یابند. انتخاب الگوی سخت برای توسعه مواد منظم بسیار مهم است. مطلوب است که چنین قالب های سختی در طول فرآیند تبدیل پیش ساز ساختار مزوپور را حفظ کنند و بدون ایجاد اختلال در نانوساختار تولید شده، به راحتی قابل جابجایی باشند. طیف وسیعی از مواد به‌عنوان قالب‌های سخت، محدود به کربن سیاه، سیلیس، نانولوله‌های کربنی، ذرات، کریستال‌های کلوئیدی و پوسته‌های چوبی محدود نمی‌شود. سه مرحله اصلی در مسیر مصنوعی برای به دست آوردن نانوساختارها از طریق روش‌های قالب‌بندی درگیر هستند. در مرحله اول، الگوی اصلی مناسب توسعه یا انتخاب می شود. سپس، یک پیش ماده هدفمند در مزوپورهای الگو پر می شود تا آنها را به یک جامد معدنی تبدیل کند. در مرحله آخر، الگوی اصلی برای دستیابی به ماکت مزوپور حذف می‌شود. از طریق استفاده از قالب‌های مزوپور، مواد نانوساختار منحصربه‌فردی مانند نانوسیم‌ها، نانومیله‌ها، نانو مواد ساختار سه بعدی، اکسیدهای فلزی نانوساختار و بسیاری از نانوذرات دیگر را می‌توان تولید کرد. در بحث، مشاهده می شود که طیف وسیعی از مواد نانو ساختار یافته منحصر به فرد را می توان با استفاده از روش های قالب نرم و سخت تولید کرد.

روش های میسل معکوس

روش میسل معکوس نیز یک تکنیک مفید برای تولید مواد نانو با شکل ها و اندازه های دلخواه است. امولسیون روغن در آب منجر به میسل‌های معمولی می‌شود که در آن دم‌های آبگریز به سمت هسته‌ای که قطرات روغن را درون آن به دام انداخته است، نشانه می‌رود. با این حال، میسل های معکوس در مورد امولسیون آب در روغن تشکیل می شوند که در آن سرهای آبدوست به سمت هسته ای که حاوی آب است اشاره 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 را می توان با تغییر نسبت آب به سورفکتانت کنترل کرد که در نهایت بر اندازه نانوذرات سنتز شده از طریق این روش تأثیر می گذارد. اگر غلظت آب کاهش یابد، این 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 تک پراکنده هستند. سنتز نانوذرات تثبیت شده با لیپاز مغناطیسی را از طریق روش میسل معکوس نشان می دهد.

نتیجه گیری

خواص ماده در سطح نانو به طور قابل ملاحظه ای در مقایسه با همتایان حجیم متمایز است. اثرات وابسته به اندازه در مقیاس نانو برجسته‌تر می‌شوند. به عنوان مثال، محلول طلا زمانی که به صورت عمده است زرد و در سطح نانو به رنگ بنفش یا قرمز به نظر می رسد. خواص نانومواد را می توان از طریق تنظیم اندازه مواد مورد نظر تنظیم کرد. به عنوان مثال، بور به صورت فله فلز در نظر گرفته نمی شود، در حالی که به نظر می رسد یک شبکه دو بعدی از بور (بوروفن) یک فلز دو بعدی عالی باشد. در کمال کریستال یا کاهش عیوب کریستالوگرافی.

خواص الکترونیکی نیمه هادی ها در محدوده 1-10 نانومتر توسط ملاحظات مکانیکی کوانتومی کنترل می شود. بنابراین، نانوکره‌هایی با قطرهای بین 1 تا 10 نانومتر به عنوان نقاط کوانتومی شناخته می‌شوند. خواص نوری نانومواد مانند نقاط کوانتومی به شدت به شکل و اندازه آنها بستگی دارد. بنابراین، جذب و انتشار نور توسط نیمه هادی ها را می توان از طریق تنظیم اندازه نانوذرات در این محدوده کنترل کرد. با این حال، در مورد فلزات، میانگین مسیر آزاد الکترون ها ~10-100 نانومتر است و به این دلیل، انتظار می رود که اثرات الکترونیکی و نوری در محدوده ~10-100 نانومتر مشاهده شود. رنگ محلول های آبی نانوذرات فلزی را می توان با تغییر نسبت ابعاد تغییر داد. محلول های آبی نانوذرات نقره رنگ های متفاوتی را در نسبت های مختلف نشان می دهند. یک تغییر قرمز در نوار جذب با افزایش نسبت تصویر ظاهر می شود.

نویسنده: مصطفی عینعلی، کارشناس دپارتمان مواد و متالورژی گروه آموزشی پارس پژوهان