کاربرد روز افزون نانو مواد در زندگی امروزی باعث شده است تا تولید این مواد مورد توجه صنایع و محققین قرار گیرد. روش های فیزیکی و شیمیایی توسعه داده شده برای سنتز نانو مواد تابحال بیشترین استفاده را داشته اند اما معایب آنها نظیر بالا بودن مصرف انرژی، ایجاد آلودگی های زیست محیطی و خطرات مربوط به سلامتی باعث شده است محققین به دنبال دستیابی به روش هایی باشند که معایب ذکر شده را نداشته باشند. سنتز سبز (Green Synthesis) روشی است که در آن از مواد زیستی (گیاهی) بعنوان مواد اولیه برای تولید نانو مواد استفاده می گردد و معایب روش های مرسوم در آن به مقدار قابل توجهی برطرف شده است. در این مقاله به معرفی این روش نو ظهور پرداخته و نحوه انجام و پارامترهای آن را بررسی می کنیم.
معرفی سنتز سبز
نانو ذرات فلزات نظیر طلا، نقره، آهن، مس، پالادیوم و …. (با ابعاد 5 – 100 نانومتر) بدلیل سطح ویژه بالاتری که نسبت به ذرات میکرونی خود دارند خواص فیزیکوشیمیایی قوی تری داشته و عملکرد به مراتب بهتری از خود نشان می دهند. نانو ذرات فلزات بواسطه چنین خواص ویژه کاربردهای وسیعی در علوم پزشکی، بیولوژی و مهندسی پیدا کرده اند. به عنوان مثال نانو ذرات پالادیوم (Pd) برای تجزیه و تصفیه آلایندگی های رنگی، جلوگیری از رشد باکتری ها و فرآیند های کاتالیستی مورد استفاده قرار می گیرند.
با توجه به ویژگی های منحصر بفرد و عملکرد ویژه نانو ذرات فلزات در علوم مختلف، در سال های اخیر تحقیقات زیادی روی توسعه روش های مناسب برای سنتز این نانو مواد ارزشمند انجام شده است. نتیجه مطالعات اخیر توسعه روش های فیزیکی و شیمیایی متنوعی نظیر تجزیه حرارتی (Thermal Decomposition)، اِروسُل (Aerosol)، شیمی تَر (Wet Chemistry) و غیره بوده است. اما این روش های معرفی شده از معایبی مانند: بالا بودن میزان مصرف انرژی، تولید پسماند های شیمیایی و سمی، نیاز به تجهیزات پیچیده، نیاز به شرایط خاص برای سنتز و نیاز به مواد اولیه سمی و گرانقیمت برخوردار می باشند که این موضوع باعث شده است پژوهشگران به دنبال دستیابی به روش یا روش هایی باشند که معایب ذکر شده را نداشته باشد.
در سال های اخیر، روشی جدید توسعه داده شده است که فاقد معایب روش های فیزیکی و شیمیایی مرسوم بوده و تحت عنوان روش سنتز سبز شناخته می شود. در سنتز سبز، بجای استفاده از مواد اولیه شیمیایی، سمی و گرانقیمت از مواد طبیعی و دوستدار محیط زیست استفاده می شود. این مواد زیستی و طبیعی قابلیت داشتن همزمان چند نقش (عامل کاهنده یون فلز و دیسپرسانت) را دارا می باشند که این ویژگی نه تنها منجر به کاهش مصرف انرژی می گردد بلکه از تولید پسماند های سمی جلوگیری می نماید. مواد اولیه ای که در روش سنتز سبز استفاده می گردند عبارتند از: میکرو ارگانیسم ها (باکتری و قارچ)، برگ، گل، ریشه، پوست، میوه و دانه گیاهان مختلف. این مواد اولیه زیستی که تحت عنوان مواد سبز نیز شناخته می شوند از پلی فنول ها و پروتئین هایی برخوردار هستند که می توانند به عنوان عامل کاهنده یون فلزات عمل کرده و امکان دستیابی به نانو ذرات فلزات را فراهم کنند.
نحوه انجام سنتز سبز و پارامترهای آن
بطور کلی، روش سنتز سبز بدین صورت انجام می شود که مواد گیاهی یا میکرو ارگانیسم های گیاهی از گونه گیاهی مورد نظر استخراج گردیده و سپس با اضافه کردن ماده استخراج شده به محلول حاوی یون فلز، نانو ذرات فلز حاصل می شوند.
در این روش، ماده گیاهی استفاده شده در نقش عامل کاهنده وارد واکنش با یون فلز شده و یون فلز مورد نظر را به نانو ذره فلز تبدیل می نماید. برای استخراج ماده گیاهی، گیاه مورد نظر (برگ، میوه، ریشه و…) را داخل آب یا اتانول غوطه ور کرده و تحت شرایط محیطی مناسب (هر گونه گیاهی شرایط محیطی بهینه مختص به خود را دارد) نگهداری می نمایند. سپس گیاه خیس خورده تحت دما قرار گرفته تا خشک شود. گیاه خشک شده توسط هاون خردایش شده و جوشانده می شود تا عصاره آن استخراج گردد. در تصویر زیر شماتیک مراحل استخراج عصاره گیاهی نشان داده شده است.
(شماتیک مراحل استخراج عصاره گیاه)
برای دستیابی به نانو ذراتی با خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب لازم است تا پارامتر های روش سنتز سبز در حین فرآیند رعایت شوند. پارامتر های این روش عبارتند از:
-
نوع گیاه و عصاره آن:
عصاره ای که از گیاه استخراج می شود تاثیر مهمی روی مورفولوژی نانو ذرات و همچنین اندازه ذره آنها داشته بطوریکه می توان با انتخاب گیاه مناسب نانو ذراتی با مورفولوژی و اندازه ذره مطلوب تولید نمود. به عنوان مثال در سنتز نانو ذرات طلا، مورفولوژی نانو ذرات سنتز شده بسته به عصاره گیاهی استفاده شده می تواند کروی، شش گوشه و مثلثی باشد. لازم به ذکر است که عصاره گیاهان مختلف قدرت کاهندگی متفاوتی دارند و این موضوع روی بازدهی تولید نانو ذرات فلزات تاثیر گذار است.
-
مقدار یون فلز در محلول:
دوز یون فلز در محلول یکی از عوامل مهم در سنتز موفق نانو ذرات فلز می باشد. در صورتیکه مقدار یون های فلز در محلول از حدی پایین تر باشد فرآیند سنتز بطور ناقص انجام شده و نانو ذرات فلز حاصل نمی شوند. این موضوع می تواند ناشی از کمبود مقدار یون فلز در فرآیند یا پایین بودن سرعت فرآیند کاهش یون فلز باشد.
-
اتمسفر محیط:
نانو ذرات فلزات از پایداری پایینی برخوردار بوده و به راحتی در محیط اکسید می شوند. بنابراین لازم است تا اتمسفر محیط سنتز در حین انجام فرآیند کنترل شده (اتمسفر خنثی یا خلاء) باشد چراکه در غیر اینصورت نانو ذرات فلز اکسید شده و خلوص محصول نهایی کاهش می یابد.
-
pH محلول:
pH محلول رابطه مستقیم با سایز نانو ذرات سنتز شده دارد. با تنظیم pH محلول می توان اندازه ذره محصول نهایی را کم یا زیاد کرد.
-
دمای محلول:
دمای محلول در حین واکنش روی انجام شدن فرآیند سنتز بطور کامل تاثیر می گذارد. بنابراین لازم است بسته به نوع فلز و نوع عصاره گیاهی، فرآیند سنتز در دماهای مختلف صورت گیرد تا دمای بهینه بدست آید.
-
زمان فرآیند:
مدت زمان فرآیند سنتز تاثیر مستقیم بر دستیابی به نانو ذراتی پایدار دارد و لازم است همانند پارامتر دما، سنتز در مدت زمان های مختلف انجام شده تا زمان بهینه حاصل شود.
در تصویر زیر شماتیکی از تاثیر عصاره استخراج شده از قسمت های مختلف گیاه بر مورفولوژی و اندازه ذره نانو ذرات فلزات مختلف نشان داده شده است.
(تاثیر عصاره استخراج شده از قسمت های مختلف گیاه بر مورفولوژی و اندازه ذره نانو ذرات آهن، پالادیوم، مس، نقره و طلا)
با توجه به مطالبی که ذکر شد مشخص می شود که روش سنتز سبز پتانسیل بالایی در تولید نانو مواد دارد که با انجام تحقیقات بیشتر و تکمیلی می توان این روش را بهینه سازی کرده و برای اجرا در مقیاس صنعتی توسعه داد.
منابع:
