با پیشرفت روز افزون فناوری نانو، روش ها و فرآیند های جدیدی برای سنتز و تولید نانو ذرات به عرصه این تکنولوژی وارد شدند که هر کدام از آنها دارای ویژگی هایی منحصر بفرد هستند. روش های سنتز نانو مواد این قابلیت را دارند تا در طول فرآیند تولید با کنترل خواص فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات، دستیابی به محصول با خواصی مطابق با نیاز محقق یا تولید کننده را امکان پذیر نمایند. در حقیقت انعطاف پذیری روش سنتز است که امکان تنظیم کردن خواص فیزیکوشیمیایی نانو ذرات را فراهم می آورد بنابراین یادگیری روش های مختلف تولید و انتخاب روش مناسب در تولید نانو مواد بسیار پر اهمیت می باشد. در این مقاله به بررسی یکی از روش های سنتز نانو ذرات تحت عنوان روش “رسوبی” می پردازیم.
پیش از مطالعه این بخش دعوت میشود تا با روش های مختلف سنتز نانو مواد آشنا شوید.
مکانیزم و مراحل روش رسوبی
روش رسوبی (Precipitation) یکی از متداول ترین روش های تولید نانو ذرات در هر دو مقیاس آزمایشگاهی و صنعتی می باشد. مدت ها قبل تولید کنندگان و محققین از این روش برای تولید مواد پودری با ترکیبات مختلف در مقیاس میکرومتری استفاده کرده اند اما با پیشرفت فناوری نانو و اهمیت استفاده از نانو مواد باعث شد تا این روش برای تولید نانو ذرات تکامل یابد. روش رسوبی بدلیل برخورداری از پارامترهای متنوع و تاثیرگذار در فرآیند تولید، امکان کنترل کردن خواص فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات تسهیل کرده است و همین مساله باعث شده تا توجه محققین و تولید کنندگان حوزه نانو تکنولوژی به این روش بیش از پیش معطوف شود.
مکانیزم روش رسوبی بر اساس فعل و انفعالات شیمیایی میان کاتیون ها و آنیون ها در محیط آبی بوده که منجر به نشکیل جامد یونی و غیر قابل انحلال در آب می گردد که به آن “رسوب” گفته می شود. فرآیند شیمیایی میان کاتیون و آنیون یا بعبارت دیگر فرآیند رسوبی در حقیقت یک واکنش جابجایی دو تایی بوده که نتیجه آن تشکیل شدن یک ترکیب جامد و غیر قابل انحلال در کنار ترکیبی قابل انحلال در آب می باشد. با توجه به واکنش زیر:
AB(aq) + CD(aq) → AD(aq) + CB(s)
در حین فرآیند رسوبی کاتیون A+ با کاتیون C+ جابجا شده و با آنیون D– تشکیل ترکیب قابل حل در آب را ایجاد می کند. همزمان با این واکنش، آنیون B– با کاتیون C+ واکنش داده و تشکیل جامد یونی غیر قابل انحلال در آب (رسوب) را می دهند. نکته ای که باید به آن اشاره کرد این است که در این روش انتخاب مواد اولیه مناسب از اهمیت بالایی برخوردار است بدین منظور باید بسته به ترکیب شیمیایی محصول از نمک های مناسب (کلرید ها، سولفات ها، نیترات ها و کربنات ها) با انحلال پذیری بالا استفاده نمود تا فرآیند رسوبی با بازدهی بالا صورت پذیرد.
مراحل انجام روش رسوبی به شرح زیر است:
- انحلال نمک حاوی کاتیون مورد نظر در آب تحت غلظت مناسب تا دستیابی به محلولی یکنواخت (محلول A).
- انحلال نمک حاوی آنیون مورد نظر درآب تحت غلظت مناسب تا دستیابی به محلولی یکنواخت (محلول B).
- ترکیب محلول های A و B در یک ظرف و همزدن آنها با استفاده همزن مغناطیسی و یا مکانیکی.
- اضافه کردن افزودنی ها در صورت نیاز.
- انجام شدن فرآیند رسوبی در حین همزدن محلول (جوانه زنی و رشد) و ته نشینی محصول جامد نهایی (رسوب) در انتهای ظرف.
- جدایش محصول تولید شده از فاز آبی.
- خشک کردن محصول نهایی.
باید به این نکته اشاره کرد که در تولید بعضی از ترکیبات جهت دستیابی به بلورینگی و خلوص بالا، لازم است تا محصول نهایی پس از مرحله خشک شدن تحت فرآیند کلسیناسیون قرار گیرد.
پارامترهای روش رسوبی
روش رسوبی از پارامترهای مختلفی برخوردار است که به کمک آنها می توان خواص فیزیکو شیمیایی نانو ذرات را نظیر اندازه ذره، ترکیب شیمیایی، خلوص، مورفولوژی، سطح ویژه، بلورینگی، اندازه دانه، میزان تخلخل و…. را کنترل نمود. تسلط داشتن بر میزان و شکل تاثیرگذاری این پارامترها بر چگونگی کنترل خواص فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات از اهمیت به سزایی برخوردار است. در ادامه به معرفی این پارامترها پرداخته و تاثیر آنها بر فرآیند رسوبی را بررسی می کنیم.
افزودنی ها: افزودنی ها در روش رسوبی به چند دسته تقسیم می شوند که عبارتند از: سرفکتانت ها، پلیمرهای مصنوعی، بایو مولکول ها و آمینو اسید ها. نوع افزودنی و مقدار استفاده از آن بسته به محصولی که قرار است تولید شود متغیر است.
استفاده از افزودنی ها این امکان را فراهم می کند تا بتوان اندازه ذره، مورفولوژی، پلی مورف، تخلخل و سطح ویژه نانو ذرات را کنترل کرد. بعنوان مثال سلولز، نشاسته و پلی ساکارید افزودنی هایی از دسته بایومولکول ها هستند که از آنها در تولید نانو ذرات کربنات کلسیم استفاده می گردد.
pH محلول: تنظیم pH محلول یکی از کلیدی ترین پارامترهای روش رسوبی می باشد که روی خلوص، ترکیب شیمیایی، مورفولوژی، اندازه ذره و رشد دانه نانو مواد تاثیر می گذارد. بسته به اینکه محصول نهایی چه ویژگی های داشته باشد می توان فرآیند رسوبی را در محیطی با pH بازی یا اسیدی انجام داد. در روش رسوبی برای تنظیم pH محیط معمولا از سدیم هیدروکسید (NaOH) و نیتریک اسید (HNO3) استفاده می گردد که به ترتیب تامین کننده محیط های بازی و اسیدی هستند.
دمای محلول: در روش رسوبی دمای محلول یا دمای واکنش علاوه بر مورفولوژی، اندازه ذره نانو ذرات را نیز تحت تاثیر خود قرار می دهد. در حین فرآیند رسوبی دو پدیده جوانه زنی و رشد دانه اتفاق می افتند که هر دو تحت تاثیر دما هستند. زمانیکه فرآیند در دمای پایین انجام می شود، سرعت جوانی زنی ذرات نسبت به رشد آنها بیشتر می باشد که این امر موجب می شود اندازه ذره محصول نهایی کاهش یابد. درحالتی که دمای فرآیند افزایش می یابد، رشد ذرات به سرعت جوانه زنی آنها غلبه کرده و در نهایت منجر به افزایش اندازه ذره محصول نهایی می گردد. بعنوان مثال اندازه ذره محصول با افزایش دمای فرآیند از 40 تا 100 درجه سانتی گراد می تواند تا حدود 60 نانومتر افزایش یابد.
نسبت غلظت آنیون/کاتیون: این پارامتر تاثیر زیادی بر اندازه ذره نانو ذرات تولید شده می گذارد. در مطالعه ای که روی سنتز نانو ذرات کربنات کلسیم به روش رسوبی انجام گرفت مشخص شد که افزایش غلظت کاتیون در محلول منجر به کاهش اندازه ذره محصولی نهایی و افزایش غلظت آنیون افزایش اندازه ذره محصول را به دنبال دارد.
سرعت هم زدن محلول: یکی دیگر از عوامل تاثیر گذار بر اندازه ذره نانو مواد در روش رسوبی سرعت هم زدن محلول می باشد. سرعت هم زدن محلول با تاثیر گذاشتن روی سرعت جوانه زنی ذرات اندازه ذره محصول نهایی را کنترل می کند. سرعت هم زدن محلول مقداری بهینه دارد؛ زمانیکه سرعت هم زدن افزایش می یابد نرخ جوانه افزایش یافته و به ذرات تشکیل شده اجازه رشد داده نمی شود در نتیجه اندازه ذره کاهش می یابد اما با افزایش بیش از حد سرعت هم زدن، اندازه ذره می تواند بدلیل کاهش تعداد جوانه ها و آگلومره شدن آنها افزایش یابد.
مدت زمان هم زدن محلول: مدت زمان فرآیند رسوبی روی اندازه ذره، خلوص، ترکیب شیمیایی و مورفولوژی محصول نهایی تاثیر گذار است. افزایش مدت زمان واکنش موجب افزایش اندازه ذره شده، میزان رسوب ناخالصی ها را تقویت کرده و احتمال تشکیل محصولی تک فاز با خلوص بالا را کاهش می دهد. بنابراین دستیابی به مدت زمان بهینه از اهمیت زیادی در تولید نانو ذرات با خلوص بالا و اندازه ذره پایین برخوردار است.
با توجه به مطالب ذکر شده مشخص می شود که روش رسوبی از قابلیت بالایی در سنتز و تولید نانو مواد با ویژگی های منحصر بفرد برخوردار است و این امر استفاده از این روش را در مقیاس صنعتی تسهیل می نماید بطوریکه در حال حاضر تعداد زیادی از تولید کنندگان در حوزه نانو تکنولوژی از این روش بهره می برند.
منابع:
