آشنایی با فرآیند های اِروسُل (Aerosol)؛ روش هایی پرکاربرد در سنتز نانو مواد

همراه با پیشرفت تکنولوژی نانو، روش های سنتز نانو مواد نیز توسعه پیدا کرده اند بطوریکه فرآیند های جدید معرفی شده و یا روش های قدیمی بهینه سازی شده اند. اما موضوع مهمی که در فناوری نانو باید به آن توجه کرد این است که نانو مواد (معدنی و آلی) دارای ترکیبات و ویژگی های متنوعی هستند و سنتز آنها با خواص فیزیکوشیمیایی مورد نیاز گاها نیازمند به کارگیری روش های سنتز خاص می باشد. در این مقاله قصد داریم به معرفی و بررسی یکی از روش های پرکاربرد در سنتز نانو مواد تحت عنوان “فرآیند های اِروسُل” برای صنعت پزشکی بپردازیم؛ با ما همراه باشید.

اِروسُل چیست؟

قبل از اینکه به معرفی فرآیند های اروسل بپردازیم لازم است تعریف درستی از اروسل را ارائه دهیم. به ذرات کوچک جامد و یا مایعی (با بازه ابعادی نانومتری تا میکرومتری) که در هوا یا محیط گازی معلق هستند اروسل (Aerosol) گفته می شود. دود ناشی از آتش سوزی ها و اگزوز خودرو ها، گرد و غبار موجود در هوا، انواع اسپری ها (رنگ، ادکلن، تمیز کننده و…)، عطسه، دود آتشفشان ها، گازهای خروجی از دودکش کارخانجات و…. همگی مثال های بارزی از اروسل هستند.

با توجه با ماهیت اروسل، محققین به این نتیجه رسیدند که می توان روش هایی را با تکیه بر اروسل برای سنتز نانو مواد توسعه داد. از این رو، روش هایی که توسعه داده شدند به علت ساده بودن، کم هزینه بودن، داشتن کنترل مطلوب روی اندازه و مورفولوژی نانو ذرات و داشتن قابلیت تولید محصول با خلوص بالا به شدت مورد توجه قرار گرفتند. لازم به ذکر است که روش های مبتنی بر اروسل قابلیت تولید نانو مواد بصورت پیوسته (غیر بَچی) را دارا می باشند و همین موضوع باعث می شود تا همواره محصولی با خواص فیزیکوشیمیایی یکنواخت حاصل شود (تکرار پذیری بالای روش سنتز). نکته دیگری که در رابطه با روش های بر پایه اروسل باید اشاره کرد این است که پارامتر های این روش ها قابل تنظیم می باشند و به کمک آن می توان خواص فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات را آنطور که مورد نیاز است مهندسی نمود.

روش های سنتز مبتنی بر اروسل

روش های سنتز بر پایه اروسل بطور کلی به دو دسته تقسیم بندی می شوند:

1. روش های سنتز مبتنی بر اتمیزه کردن (Atomization) محلول.

2. روش های سنتز مبتنی بر فرآیند تبدیل گاز به ذره (Gas-to-Particle Conversion Process).

روش های مبتنی بر فرآیند اتمیزه کردن محلول:

در این روش، محلول حاوی مواد اولیه با ترکیب مشخص اتمیزه شده و تبدیل به ذرات مایع خیلی کوچک می گردد. در ادامه فرآیند، حلال تبخیر شده و مواد اولیه که در حالت محلول قرار داشتند تبدیل ذرات جامد با ابعاد نانومتری می شوند. در این روش ها از تکنیک های مختلفی برای اتمیزه کردن محلول استفاده می شود که عبارتند از: نبولایز کردن (Nebulization – فرآیندی که در آن محلول را با استفاده از هوای فشرده شده به ذرات خیلی کوچک و بصورت مه تبدیل می کنند)، اتمیزاسیون الکتروهیدرودینامیک (Electrohydrodynamic Atomization –  فرآیندی که در آن محلول خروجی از نازل تحت یک میدان الکتریکی قوی قرار گرفته و توسط نیروی الکتریکی تبدیل به ذرات ریز مایع می شود) و اتمیزاسیون التراسونیک (Ultrasonic Atomization – فرآیندی که در آن محلول خروجی از سر نازل تحت امواج التراسونیک قرار می گیرد که در نتیجه آن محلول دچار لرزش های شدید شده و تبدیل به ذرات مایع خیلی کوچک می شود). روش پیرولیز شعله ای (Flame Pyrolysis – پیرولیز به معنای تجزیه حرارتی مواد در دمای بالا و اتمسفر خنثی) یکی از روش های مبتنی بر اتمیزه کردن محلول است. از این روش برای تولید نانو ذرات سیلیکا استفاده شده است بطوریکه در آن، محلول حاوی نمک سیلیسیم و اتانول توسط نازل اتمیزه شده و در حین خروج از نازل تحت تماس با شعله زیاد قرار می گیرد. با قرار گرفتن ذرات ریز محلول تحت دمای بالای ناشی از شعله فرآیند پیرولیز آغاز می گردد. در این فرآیند، ذرات محلول تبخیر شده سپس جوانه زنی و رشد ذرات صورت گرفته و نانو ذرات سیلیکا تحت دمای بالای شعله سنتز می شوند. در تصویر زیر شماتیک روش پیرولیز شعله ای نشان داده شده است.

(شماتیک روش پیرولیز شعله برای تولید نانو ذرات سیلیکا)

روش های مبتنی بر فرآیند تبدیل گاز به ذره:

روش های سنتز:

1. تخلیه الکتریکی (Spark Discharge)،

2. پلاسمای حرارتی (Thermal Plasma)  و

3. فرسایش لیزری (Laser Ablation) پرکاربرد ترین روش های سنتز مبتنی بر فرآیند تبدیل گاز به نانو ذره می باشند. در این روش ها از مواد اولیه جامد برای دستیابی به اروسل (در فاز گازی) استفاده شده و سپس نانو ذرات طی فرآیند تبدیل گاز به ذره تولید می شوند. در ادامه هر یک از این روش ها را بررسی می کنیم.

روش تخلیه الکتریکی: در این روش از تخلیه الکتریکی برای تولید اروسل استفاده می شود. برای این منظور، دو الکترود رسانا از جنس ماده ای که قرار است نانو ذرات آن تولید شود (بعنوان ماده اولیه) تا دمای 20000 درجه کلوین (حدود 19700 درجه سانتی گراد) حرارت دهی می شوند که در نتیجه آن تخلیه الکتریکی میان دو الکترود اتفاق افتاده و تبخیر می گردند. با تبخیر الکترود و تبدیل آن به ذرات کوچک در فاز گازی اروسل ماده اولیه حاصل می شود. اروسل حاصله وارد یک راکتور حرارتی با گرادیان حرارتی (گرادیان حرارتی به معنی وجود اختلاف دما در ابتدا و انتهای راکتور) مشخص می گردد. اروسل گازی تحت تاثیر نیرو های ترموفورِتیک (Thermophoretic Force – نیروی ترموفورتیک به نیروی انتقالی اتلاق می شود که در اثر وجود گرادیان حرارتی ایجاد شده و منجر به حرکت ذرات و مولکول ها می گردد) شروع به حرکت درون راکتور کرده و در حین حرکت فرآیند های جوانه زنی و رشد اتفاق افتاده و نانو ذرات با ابعاد مورد نظر تشکیل می گردند. در ادامه، نانو ذرات تشکیل شده روی یک زیرلایه رسوب کرده و جمع آوری می شوند. از این روش برای تولید نانو ذرات طلا و نانو کامپوزیت طلا – اکسید تیتانیوم استفاده شده است که نانو ذرات تولید شده به ترتیب ابعادی برابر با 2 و 38 نانومتر داشته اند. در تصویر زیر شماتیکی از روش تخلیه الکتریکی نشان داده شده است.

(فرآیند تخلیه الکتریکی در تولید نانو کامپوزیت طلا – اکسید تیتانیوم)

روش پلاسمای حرارتی: در این روش مواد اولیه بصورت جامد وارد محفظه پلاسما که در آن دما به شدت بالا می باشد می شوند. سپس مواد جامد تحت دمای بالا تبخیر شده و تبدیل به ذرات کوچک می شوند (اروسل فاز گازی). اروسل حاصله در شرایطی کنترل شده تحت فرآیند چگالش (Condensation Process – فرآیند تبدیل گاز به جامد را می گویند) قرار می گیرد. در طول فرآیند چگالش، بخارات مواد اولیه در اثر کاهش دما شروع به تشکیل جوانه کرده، در ادامه رشد می کنند و در نهایت تبدیل به نانو ذرات با ابعاد و خواص فیزیکوشیمیایی مشخص می شوند. بعنوان مثال، از این روش برای تولید نانو ذرات تیتانیوم بوراید (TiB2) استفاده شده است که در آن پودر تیتانیوم و بور درون محفظه پلاسما تبخیر شده و سپس طی فرآیند چگالش نانو ذرات تیتانیوم بوراید حاصل شدند.

روش فرسایش لیزری: در روش فرسایش لیزری محفظه ای تحت عنوان محفظه فرسایش (Ablation Chamber) وجود دارد که ماده یا مواد اولیه جامد درون آن قرار می گیرند. سپس پرتو لیزر از طریق ورودی محفظه وارد شده و به سطح ماده جامد تابیده می شود. در نتیجه این امر، دمای سطح ماده جامد افزایش پیدا کرده، به دمای تبخیر آن رسیده و ماده اولیه تبخیر می شود (تشکیل اروسل فاز گازی). در ادامه، اروسل تشکیل شده از محفظه فرسایش به بیرون منتقل شده و تحت فرآیند چگالش قرار می گیرد. در طول فرآیند چگالش، اروسل آغاز به تشکیل جوانه و سپس رشد جوانه ها کرده که در نتیجه آن نانو ذرات تولید می شوند. از روش فرسایش لیزری برای تولید دسته وسیعی از نانو ذرات با ترکیبات متنوع استفاده می گردد.

جمع بندی مطالب ارائه شده نشان می دهد که فرآیند های اروسل از عملکرد بالایی در تولید نانو ذرات با ابعاد مختلف و خصوصا خلوص بالا (ناشی از دمای کاری بالا) برخوردار می باشد و همین موضوع باعث می شود تا این روش مورد توجه علوم و صنایع مختلف علی الخصوص علم پزشکی قرار گیرد.

منابع:

  1. https://doi.org/10.1007/s40005-021-00523-1