شناخت پارامتر های مهم روش های سنتز نانو مواد و اشراف کامل به تاثیر هر کدام از آنها بر خواص نهایی محصول سنتز شده یکی از مهم ترین موضوعات در تولید نانو مواد می باشد. هر روش سنتز دارای پارامترهای مختص خود می باشد که بوسیله آنها می توان خواص فیزیکوشیمیایی محصول نهایی را کنترل کرده و نیز فرآیند تولید را بهینه نمود. در یکی از مقالات اخیر خود به معرفی یکی از مهم ترین روش های سنتز یعنی روش سونوکِمیکال (Sonochemical) پرداختیم، از این رو قصد داریم پارامترهای این روش را در این مطلب معرفی و بررسی کنیم.

مروری بر روش سونوکِمیکال

ریشه و اساس روش سونوکمیکال را شرایط فوق العاده ناپایدار ناشی از امواج التراسونیک که در آن دما می تواند تا 5000 درجه کلوین افزایش یافته، فشار تا 1000 اتمسفر قابل دسترسی بوده و سرعت کاهش و یا افزایش دما تا 10¹⁰ درجه کلوین بر ثانیه باشد تشکیل می دهد. همانطور که مشخص است فراهم کردن چنین شرایط ترمودینامیکی منحصر بفردی در حالت عادی نیازمند فرآیند ها و تجهیزات پیچیده و گرانقیمت می باشد که شدیدا دشوار و هزینه بر بوده و امکان آن در سایر روش های سنتز نانو مواد وجود ندارد. اما در روش سونوکمیکال با استفاده از امواج التراسونیک می توان با کمترین میزان مصرف انرژی و هزینه به چنین شرایطی دست یافت و همین موضوع باعث شده است تا این روش بعنوان یکی از روش های سنتز سبز شناخته شده که قابلیت تولید نانو مواد را طی فرآیندی پاک، کوتاه مدت و ارزان قیمت دارد. بطور کلی در روش سونوکمیکال، محلول حاوی مواد اولیه تحت امواج التراسونیک قرار گرفته و در اثر برخورد های ایجاد شده میان امواج التراسونیک و محلول پدیده ای فیزیکی تحت عنوان “کاویتاسیونِ آکوستیک” (Acoustic Cavitation) اتفاق می افتد که منجر به تشکیل نانو ذرات می گردد. برای دسترسی به اطلاعات بیشتر در مورد این روش و مکانیزم آن می توانید به مقاله قبلی ما مراجعه کنید.

معرفی و بررسی پارامترهای روش سونوکِمیکال

در روش سونوکمیکال چند پارامتر مهم وجود دارد که روی خواصی فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات اعم از ترکیب شیمیایی، خلوص، سطح ویژه، اندازه ذره و….. تاثیر گذار هستند. برای اینکه پارامترهای روش سونوکمیکال را به بهترین شکل بررسی کنیم از یک مورد مطالعاتی صورت گرفته توسط محققین کانادایی در سال 2021 در رابطه با سنتز نانو ذرات طلا به روش سونوکمیکال استفاده کرده ایم. در ادامه این بخش، نتایج به دست آمده از این پژوهش انجام شده روی تاثیر پارامتر های روش سونوکمیکال در تولید نانو ذرات طلا توضیح داده است. در این پژوهش از نمک طلا (HAuCl₄.3H₂O – Gold Tetrachloride Trihydrate)، گلوکز (C₆H₁₂O₆ – Glucose) و هیدروکسید سدیم (NaOH) به ترتیب بعنوان منبع طلا، عامل کاهنده و عامل تنظیم کننده pH استفاده گردید و در طول فرآیند سنتز تاثیر پارامترهایی نظیر غلظت نمک طلا، غلظت گلوکز، pH، نوع تابش امواج التراسونیک، مدت زمان تابش امواج التراسونیک و شدت امواج التراسونیک بررسی شد.

1. تاثیر غلظت نمک طلا: برای بررسی این پارامتر، دو محلول آبی حاوی نمک طلا و گلوکز با pH خنثی آماده شد بطوریکه غلظت گلوکز در هر دو محلول ثابت بوده اما غلظت نمک طلا در محلول اول 2 برابر محلول تنظیم گردید. هر دو محلول به مدت 90 دقیقه تحت امواج التراسونیک با فرکانس ثابت قرار گرفتند تا تاثیر غلظت نمک طلا بر تولید نانو ذرات طلا بررسی شود. نتایج بدست آمده از آزمایشات نشان دادند نانو ذرات طلا در محلول اول تشکیل نشد اما محلول دوم حاوی نانو ذرات طلا بود. این نتیجه نشان می دهد که کاهش مقدار نمک طلا در محلول دوم باعث شده است تا سنتز نانو ذرات طلا امکان پذیر شود. بررسی های بعدی نشان دادند که با کاهش مقدار نمک طلا در محلول دوم، سونولیز (Sonolysis) آب در این محلول به راحتی انجام شده و رادیکال های فعال H^o و OH^o آزاد شدند که در کنار تجزیه گلوکز به عامل کاهنده CH₃^o منجر به تشکیل نانو ذرات طلا از نمک طلا شده اند. این نتایج نشان می دهند که حجم حلال (آب) و غلظت نمک طلا نقش تعیین کننده ای در تولید نانو ذرات طلا دارد.
2. تاثیر غلظت گلوکز (عامل کاهنده): جهت بررسی تاثیر غلظت گلوکز بر شکل گیری نانو ذرات طلا، محلول های آبی با غلظت ثابت اما غلظت های متفاوت از گلوکز و با pH ثابت آماده شدند و سپس تحت امواج التراسونیک با فرکانس ثابت قرار گرفتند. نتایج به دست آمده نشان دادند که در صورتیکه فرکانس امواج التراسونیک کم باشد گلوکز به تنهایی تاثیری در شکل گیری نانو ذرات طلا ندارد چرا که تحت امواج التراسونیک ضعیف به عامل کاهنده CH₃^o تجزیه نمی گردد. بدین ترتیب افزایش غلظت گلوکز بدون افزایش فرکانس امواج تاثیری بر بهبود شکل گیری نانو ذرات در محلول نخواهد گذاشت. زمانی که فرکانس مناسب اتخاذ شود در آنصورت افزایش مقدار گلوکز در محلول باعث افزایش آزاد سازی عامل کاهنده CH₃^o و در نهایت تولید راحت نانو ذرات طلا خواهد شد.
3. تاثیر pH: عامل pH تاثیر چندگانه دارد بطوریکه بر خلوص، اندازه ذره و مورفولوژی ذرات نهایی اثر گذار است. از این رو، آزمایشات مختلف تحت pH های 2، 5، 7 و 12 انجام شدند. نتایج بدست آمده از آزمایشات نشان دادند محلول با pH برابر با 2 حاوی هیچ گونه ذرات طلا نمی باشد. اما با افزایش مقدار pH به 5 و سپس 7 نانو ذرات طلا شکل گرفتند با این تفاوت که در pH برابر با 5 مورفولوژی نانو ذرات بصورت نانو سیم و در pH برابر با 7 مورفولوژی آنها کروی می باشد. با افزایش بیشتر pH تا مقدار برابر با 12 ذرات طلا تشکیل شدند با این تفاوت که اندازه ذره آنها میکرو متری بود که علت آن چسبندگی ذرات به طلا به یکدیگر در اثر افزایش pH می باشد.
4. تاثیر نوع اعمال امواج التراسونیک: دو آزمایش انجام شدند بطوریکه امواج التراسونیک در آزمایش اول بصورت پالسی و در آزمایش دوم بصورت مداوم به محلول اعمال شدند. نتایج این دو آزمایش نشان دادند که مقدار نانو ذرات طلای سنتز شده در حالتی که امواج التراسونیک بصورت مدوام به محلول اعمال شده اند بیشتر می باشد. اما از دیدگاه کریستالوگرافی نوع اعمال امواج التراسونیک تاثیری روی اندازه کریستالیت و ساختار کریستالی نانو ذرات ندارد. نانو ذرات تولید شده در دو حالت دارای ساختار کریستالی یکسان با اندازه کریستالیت تقریبا مشابه و برابر با 4/16 و 8/17 نانومتر می باشند.
5. تاثیر مدت زمان اعمال امواج التراسونیک: مدت زمان اعمال امواج التراسونیک روی میزان تخلخل ذرات طلای سنتز شده تاثیر گذار است. سه آزمایش مختلف با مدت زمان های متفاوت اعمال امواج التراسونیک و برابر با 30، 35 و 40 دقیقه انجام شدند. نتایج آنالیز های میکروسکوپ الکترونی نشان دادند که ذرات سنتز شده میکرو متخلخل بوده و میزان تخلخل آنها با افزایش مدت زمان اعمال امواج از 30 دقیقه تا 40 دقیقه کاهش یافته است.

پارامترهایی که در بالا بررسی و توصیح داده شدند نشان دهنده انعطاف پذیری مطلوب روش سونوکمیکال در سنتز نانو مواد می باشد و با کنترل پارامترهای این روش می توان خواص فیزیکوشیمیایی نانو ذرات تولید شده را مهندسی کرد. لازم به ذکر است که همواره در تمامی روش های سنتز پارامترهای ناشناخته وجود دارند که هنوز بررسی نشده اند و نیاز است مطالعات و آزمایشات بیشتری صورت گیرد تا شناخت کامل از روش سنتز حاصل گردد.

منابع:

1. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105744