نانو

تکنولوژی نانو در ساختمان

روش های تولید نانو ذرات

                                   

اصلي ترين روش هاي ساخت مواد در مقياس نانو به دو روش كلي بالا به پايين[1] و روش پايين به بالا[2] خلاصه مي شوند. روش بالا به پايين اولين بار توسط فيمن به عنوان روشي براي ساخت ذرات در ابعاد نانومتري مطرح شد. در اين روش با استفاده از دستگاه ها و روش های مكانيكي مانند: تراشیدن، آسیاب کردن وغیره نانوذرات از توده مواد با ابعاد بزرگتر توليد مي شود.

روش پايين به بالا درست در جهت مخالف روش قبلي است كه در اين روش مواد نانو با استفاده از به هم پيوستن واحدهاي بنيادي سازنده و قرار دادن آنها كنار هم ايجاد مي شوند. اين روش اولين بار توسط دركسلر ارائه گرديد. این روش با روش توليد بالا به پايين بسيار متفاوت است زيرا در روش بالا به پايين حجم بسيار زيادي از مواد زايد حاصل از تراش دور ريخته مي شود ولي روش پايين به بالا ضایعات کمتری دارد و زمان و انرژی لازم در آن نیز کمتر است. علاوه بر اين استحكام ماده توليدي نيز به علت ايجاد پيوندهاي قويتر بين ذرات تشكيل دهنده بالا مي رود.

روش‌هاي توليد نانوذرات به طور كلي به دو دسته شيميايي و فيزيكي تقسيم مي شوند و برخي روش‌ها نيز با نام فرآيندهاي مكانيكي- شيميايي خوانده مي شود.

۱- روش فیزیکی:

نانوذرات در روش‌هاي فيزيكي بدون انجام واكنش و فقط توسط فرآيندهاي فيزيكي توليد مي شوند.

روش میعان بخار

میعان بخار به منظور تهیه نانو ذرات به طور مستقیم از بخار فوق اشباع فلزات از جمله روش ها ی اولیه برای تولید نانو ذرات می باشد.این روش معمولاً شامل دو مرحله است، در مرحله اول نانو پودر فلزی به دلیل اضافه کردن گاز بی اثر به محفظه بخار فلز که باعث فوق اشباعیت می گردد، تولید می شود (به منظور دستیابی به این فوق اشباعیت بایستی گاز بی اثر با فشار بالا وارد مخزن شود) سپس با وارد کردن گاز اکسیژن به درون مخزن نانو پودر فلزی اکسید می شود و نانواکسید فلزی تشکیل می گردد.برای تهیه بخار فلزات از تبخیر گرمایی و تبخیر به کمک لیزر استفاده می شود.این روش در مقایسه با روش های دیگر دارای مزایایی می باشد از آن جمله می توان به راحتی عملکرد و آنالیز و خلوص بالای محصول تولیدی اشاره کرد همچنین در این روش امکان ایجاد فیلم نازک و پوشش دهی نیز وجود دارد.علیرغم این محاسن هزینه زياد، بازده کم و همچنین نیاز به کنترل دماهای بالا (به دلیل انجام واکنش در دمای بالا و گرمازا بودن واکنش اکسیداسیون) از معایب این روش می باشند

 

 

اسپری پیرولیز1

این روش با نام های دیگری از جمله ترمولیز ائروسل، تبخیر پلاسما، و تجزیه ائروسل نیز شناخته می شود. ماده اولیه مورد استفاده در این روش معمولاً به صورت نمک محلول یا سل و یا سوسپانسیون اولیه می باشد. قطرات تولید شده تحت اثر حرارت بالا خشک می شود و ذرات میکروسکوپی را تولید می کنند و در نهایت با عملیات حرارتی به شکل محصول مورد نظر در می آیند.

به دلیل کم هزینه بودن و همچنین امکان تهیه گستره وسیعی از محلول های مختلف به طور عمده از محلول آبی استفاده می شود. کلریدها و نیترات های فلزی به دلیل حلالیت بالا از جمله مواد مرسوم در این روش می باشند. موادی که حلالیت کمی دارند کاربرد چندانی در این روش ندارند. در حین تبدیل قطرات ائروسل به نانو ذرات فرآیندهای مختلفی شامل تبخیر حلال، ترسیب ماده حل شده و ترمولیز ذرات تولید شده صورت می گیرد.

از مزایای این روش می توان به یک مرحله ای بودن و بالا بودن خلوص مواد تولید شده اشاره کرد. ایراد اصلی این روش نیز استفاده زیاد از حلال می باشد که باعث بالا رفتن هزینه تولید می شود

 


روش احتراق[5]

روش احتراق شعله ای بطور وسیعی برای تولید پودرهای نانو ساختار اکسید فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش ماده شیمیایی اولیه بخار می شود و در فرآیند اکسیداسیون در حضور عامل اشتعال و عامل اکسید کننده که معمولاً پروپان و اکسیژن و یا متان و هوا می باشد اکسید می شود و نانو ذره اکسید فلزی را به وجود می آورد. شعله معمولاً حرارتی در گستره ۱۲۰۰ تا ٣۰۰۰ درجه کلوین ایجاد می کند که باعث تسریع واکنش شیمیایی فاز گاز می گردد

 

روش مکانوشیمی[6]

 این روش سنتز شامل فعالسازی مکانیکی جامد برای قرار گرفتن در شرایط واکنش می باشد. در سال های اخیر برای تولید نانو ذرات Al2O3 و ZnO به طور وسیعی از این روش استفاده شده است. این روش شامل آسیاب کردن ماده اولیه (معمولاً نمک یا اکسیدهای فلزی) به منظور تهیه یک مخلوط از موادی که قرار است وارد واکنش شوند، می باشد که این مخلوط در ضمن آسیاب شدن با هم واکنش داده و نانو ذره اکسید فلزی را به وجود می آورند

 

۲- روش شیمیایی:

در روش‌هاي شيميايي ابتدا واكنش شيميايي بين واكنشگرها صورت گرفته، سپس نانوذرات توليد شده از محيط جدا مي شوند. سنتز شیمیایی شامل تشكيل و رشد ذرات در یک واسطه مایع حاوی انواع واکنشگرها است. به طور کلی برای کنترل شکل نهایی ذرات، روش های شیمیایی بهتر از روشهای فیزیکی هستند. در روش های شیمیایی، اندازه نهایی ذره را می توان با توقف فرآیند در هنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد یا با توقف رشد، در یک اندازه خاص کنترل نمود. روش شیمیایی به دلیل چینش مواد در شرایط نانومتری به منظور دستیابی به خواص موردنظر، توانایی منحصر به فردی در زمینه تکنولوژی و علم مواد نانوساختار دارد

رسوب دهی یا کریستالیزاسیون یک فاز جامد از یک محلول، روش عمومی برای تولید نانوذرات است. فرایند کلی در این روش عبارتست از واکنش هایی که در محلول های آبی یا غیر آبی حاوی نمک ها و یا مواد محلول انجام می پذیرد. پس از این که محلول از حل شونده اشباع شد، با تغییر از حالت اشباع به فوق اشباع، رسوبدهی و یا تشکیل کریستال صورت می گیرد. می توان این فرآیند را مشابه یک واکنش شیمیایی در نظر گرفت. بنابراین  غلظت واکنش دهنده ها، دمای واکنش، pH محیط و نسبت افزایش واکنش دهنده ها به محیط واکنش، بر توزیع اندازه و خواص فیزیکی محصول(کریستال های نهایی) موثرند.

پتانسيل‌هاي فراواني كه براي كاربرد نانوذرات در دنياي فناوري وجود دارد موجب پيدايش تحقيقات فراواني برای يافتن راههاي جديد توليد اين مواد و بر طرف ساختن مشكلات موجود در مسير توليد آنها شده است. از جمله مشكلات عمده اي كه در توليد نانوذرات وجود دارد مي توان به هم پيوستن ذرات يا کلوخه‌ای شدن  آنها و نيز اكسايش سطح آنها را نام برد. يكي از پارامترهاي كليدي در كيفيت نانو ذرات كوچك بودن ابعاد آنهاست. لذا فرآيند توليد بايد به گونه‌اي طراحي شود كه اين ذرات به هم نچسبند و به اصطلاح كلوخه  نشوند زيرا اين پديده موجب رشد ناخواسته ذرات مي شود. همچنين سطح تماس ذرات با كوچك شدن ابعاد آنها بالا رفته، موجب اكسيد شدن سطح ذرات فلزي مي شود و اين پديده در مواردي كه هدف ما توليد ذرات فلزي و غير اكسيدي نظير نيتريدها باشد، يكي از مشكلات است كه بايد بر آن غلبه نمود ۱۰ .

اهميت يافتن نانوذرات در دهه‌هاي اخير نه تنها از اهميت روش‌هاي قديمي توليد ذرات نكاسته است بلكه خود باعث به وجود آمدن روش‌هاي نويني در توليد اين ذرات شده است. توليد ذرات نانو به روش‌هاي شيميايي كاربردهاي زيادي در توليد مواد نوري، الكترونيكي، مغناطيسي، زيستي، كاتاليزوري و زيست‌پزشكي دارد .



[1] Top-Down Method

[2] Buttom-up

[3] Drexler

[4] Vapor condensation  method

 

1- spray pyrolysis

[5]  Combustion method

[6]  mechanochemical method

[7]  Agglomeration

[8]  Oxidation

[9]  Agglomerate

+ نوشته شده در  پنجشنبه شانزدهم آذر 1391ساعت 21:22  توسط کیان  |