فلزات و یا آلیاژ های مایع (Liquid Metals) به دسته ای از مواد گفته می شود که در دمای اتاق دارای حالت مایع هستند. این ویژگی فیزیکی منحصر بفرد فلزات مایع باعث شده است تا بکارگیری آنها در حوزه نانو تکنولوژی مورد توجه قرار گیرد.

فلزات مایع قابلیت کاهش ابعاد تا مقیاس نانو متری را دارا می باشند بطوریکه می توان آنها را به قطرات فوق العاده کوچک نانومتری تبدیل نمود. از این رو، در سال های اخیر تحقیقات مختلفی روی این مواد از جمله آلیاژ های گالیُم – ایندیُم (GaIn) و گالیُم – ایندیُم – قلع (Galinstan) صورت گرفته تا تاثیر نانو قطرات فلزات مایع در صنایعی نظیر رباتیک، الکترونیک، پزشکی و…. بررسی شود.

در این مقاله روش های تولید نانو قطرات فلزات مایع و کاربرد های آنها در حوزه فناوری نانو توضیح داده شده است با ما همراه باشید.

معرفی فلزات مایع با پایه گالیُم

در میان عناصر مختلف، فلزاتی نظیر جیوه، فرانسیُم، گالیُم، سزیُم و روبیدیُم هستن که در دماهایی نزدیک به دمای اتاق (دمای 25 درجه سانتی گراد) در حالت مایع قرار دارند. در میان این فلزات مایع، گالیُم (Gallium – Ga) و آلیاژ ها آن یعنی دو آلیاژ گالیُم – ایندیُم با نسبت وزنی 75% – 25% و آلیاژ گالیُم – ایندیُم – قلع (نام تجاری Galinstan) با نسبت وزنی 68.5% – 21.5 % – %10 توجهات محققین و صنایع را به سمت خود جلب کرده اند. علت محبوبیت آلیاژهای مایع پایه گالیمی برخورداری از ویژگی هایی نظیر سمیت پایین، ویسکوزیته پایین (2 برابر ویسکوزیته آب)، هدایت الکتریکی بالا و هدایت حرارتی بالا می باشد.

یکی از ویژگی های منحصر بفرد الیاژهای پایه گالیمی لایه نازک و منفعلی (Passive) به ضخامت 1 تا 3 نانومتر از جنس اکسید گالیم (Ga₂O₃) می باشد که قطرات آلیاژ مایع را در بر گرفته است. این لایه اکسیدی نازک دارای رفتار ویسکوالاستیک (Viscoelastic) بوده، تنش های سطحی قطرات آلیاژ مایع را میزان کرده و ترشوندگی آلیاژ مایع را با سطوح مختلف امکانپذیر می کند. علاوه بر این، لایه اکسید گالیم می تواند بعنوان یک ماده کاتالیست عمل کند.

لازم به ذکر است که اکسید گالیم از فعالیت شیمیایی بالایی برخوردار می باشد که این موضوع بستر مناسب برای اصلاح سطح نانو قطرات آلیاژ مایع را فراهم می آورد. امکان اصلاح سطح نانو قطرات آلیاژ مایع کمک می کند تا بتوان مورفولوژی، تغییرات دمایی، خواص الکتریکی و…. نانو قطرات آلیاژ را کنترل نمود.

نکته مهمی که باید به آن اشاره کرد این است کاهش اندازه ذره قطرات تا ابعاد نانومتری باعث می شود تا نقطه انجماد و ذوب این ماده به ترتیب از 5.9- و 17.8 درجه سانتی گراد به 84.1 – و 25.6 – درجه سانتی گراد کاهش یابد.

به عبارت دیگر، نانو قطرات Supercool (Supercooling به فرآیندی گفته می شود که در آن دمای مایعات را تا زیر نقطه انجماد آنها کاهش داده بدون اینکه منجمد شوند) شده اند که این ویژگی کاربرد های ویژه ای در صنعت الکترونیک دارد. ویژگی های ذکر شده برای نانو قطرات آلیاژهای پایه گالیمی باعث شده است تا این ماده در زمینه های مختلف علمی و صنعتی مورد استفاده قرار گرفته و منجر به پیشرفت فناوری نانو گردد. در تصویر زیر آلیاژ مایع پایه گالیمی نشان داده شده است.

(آلیاژ مایع پایه گالیمی که در دمای نزدیک به محیط در حالت مایع قرار دارد)

روش های سنتز نانو قطرات آلیاژ های مایع پایه گالیُمی

همانطور که در بالا ذکر شد، آلیاژ های مایع پایه گالیمی توسط لایه ای نازک از جنس اکسید گالیم در برگرفته شده اند که یکی از وظایف آن میزان کردن تنش سطحی آلیاژ می باشد. این لایه نازک براحتی و با اعمال نیروی سطحی از هم گسسته می شود. به محض اینکه لایه اکسید گالیم گسسته شد، تنش سطح آلیاژ مایع افزایش می یابد که در نتیجه این امر لایه نازک بلافاصله ترمیم شده تا میزان تنش سطحی تعدیل شود.

با توجه به این موضوع، اگر نیروی مکانیکی وارد شده به لایه نازک بصورت مداوم انجام شود فرآیند گسستگی – ترمیم لایه اکسید گالیم بطور مکرر صورت می پذیرد که نتیجه آن کاهش اندازه ابعاد آلیاژ مایع از حالت بالک به قطرات میکرومتری و در نهایت نانومتری و تبدیل آن به نانو قطرات است. لازم به ذکر است که برای دستیابی به نانو قطرات، سرعت اعمال نیروی مکانیکی به آلیاژ مایع باید بیشتر از سرعت ترمیم لایه اکسید گالیم باشد. بر اساس مکانیزم ذکر شده، تکنیک های مختلفی برای اعمال نیروی مکانیکی به آلیاژ مایع و سنتز نانو قطرات آلیاژ مایع پایه گالیمی مورد استفاده قرار می گیرند که در ادامه به معرفی آنها می پردازیم.

1. روش برش مکانیکی در حلال: در این روش برای ایجاد نیروی مکانیکی سطحی به آلیاژ مایع از همزن مکانیکی استفاده می شود. در روش برش مکانیکی آلیاژ مایع در یک حلال با ویسکوزیته کم مانند اتانول قرار داده شده و توسط همزن مکانیکی همزده می شود. در حین فرآیند همزدن آلیاژ مایع تحت نیروی های مختلفی نظیر نیروی برشی، نیروی کششی، نیروی گریز از مرکز و نیروی جاذبه قرار می گیرد. مجموع نیرو های وارد شده به آلیاژ منجر به شکل گیری فرآیند گسستگی – ترمیم بصورت مکرر در آلیاژ مایع شده و در نتیجه نانو قطرات حاصل می شوند. در این روش با کنترل سرعت دور همزن و نوع پره همزن می توان خواص نهایی نانو قطرات را کنترل نمود. لازم به ذکر است که در این روش می توان همزمان با سنتز نانو قطرات آلیاژ مایع فرآیند اصلاح سطح نانو قطرات را نیز انجام داد. روش برش مکانیکی روشی سریع، تکرار پذیر و مقیاس پذیر می باشد.
2. روش التراسونیک: در روش التراسونیک برای اعمال نیروی مکانیکی به سطح آلیاژ مایع و آغاز فرآیند گسستگی – ترمیم در آلیاژ و در نهایت تولید نانو قطرات آلیاژ از امواج التراسونیک استفاده می گردد. در این روش از دستگاه التراسونیک پروبی استفاده می گردد. زمانیکه محلول حاوی آلیاژ مایع تحت امواج قوی التراسونیک قرار می گیرد، پدیده کاویتاسیون آکوستیک بصورت مداوم اتفاق می افتد. در نتیجه شکل گیری این پدیده، نیروی لازم با سرعت بالا به لایه اکسید گالیم وارد شده و منجر به گسستگی آلیاژ مایع و تبدیل آن به نانو قطرات می شود. از آنجایی که امواج التراسونیک قابلیت اعمال مدوام نیرو با سرعت بالا را دارند بنابراین می توان نانو قطراتی با اندازه های خیلی کوچک 30 تا 100 نانومتر سنتز نمود. در این روش با تنظیم قدرت امواج التراسونیک، مدت زمان اعمال امواج، دمای محلول و pH محلول می توان خواص نهایی نانو قطرات نظیر مورفولوژی، اندازه ذره و یکنواختی را کنترل کرد.
3. روش التراسونیک با تابش لیزر: این روش مشابه روش التراسونیک بوده با این تفاوت که از تابش لیزر برای کاهش بیشتر اندازه نانو قطرات آلیاژ مایع استفاده می گردد. زمانیکه نانو قطرات در مرحله اول فرآیند سنتز تولید شدند، در مرحله دوم تابش لیزر به نانو قطرات صورت گرفته که موجل تبخیر نانو قطرات به به قطراتی به مراتب کوچکتر می شود. با افزایش قدرت تابش لیزر می توان قطراتی با ابعاد 900 نانومتر را به نانو قطرات فوق العاده کوچک با اندازه ذره 16 نانومتر تبدیل نمود.

کاربرد های نانو قطرات مایع آلیاژ پایه گالیُمی

ویژگی های منحصر بفرد نانو قطرات آلیاژ مایع پایه گالیمی باعث شده است که این ماده کربرد های مختلفی در زمینه های علمی پیدا کند. کاربرد های این ماده ارزشمند عبارتند از:

1. استفاده در تولید قطعات الکترونیکی قابل پرینت بعنوان جوهر پرینت. تنش سطحی پایین و سطح ویژه بالای نانو قطرات باعث شده است تا در ساخت قطعات الکترونیکی به روش پرینت کردن مورد استفاده قرار گیرد.
2. استفاده در ساخت کامپوزیت های پلیمری مورد نیاز جهت تولید مولد های ترموالکترلیک (Thermoelectric Generator – مولد ترموالکتریک به دستگاهی اتلاق می شود که اختلاف دما را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می کند) که کشسان بوده و قابل پوشیدن می باشند. این مولد ها حرارت بدن را دریافت کرده و تبدیل به انرژی الکتریکی می کنند که بعنوان منبع تغذیه سایر قطعات الکترونیکی پوشیدنی مانند سنسور ها می باشد.
3. استفاده در نانو پزشکی؛ به عنوان حامل دارو در روش دارو رسانی و به عنوان ردیاب DNA. اندازه ذره کوچک و سمیت پایین نانو قطرات آلیاژ مایع این ماده را به گزینه مناسبی برای استفاده در نانو پزشکی تبدیل نموده است. برای آشنایی بیشتر با روش دارو رسانی به کمک نانو تکنولوژی می توانید به یکی دیگر از مقالات منتشر شده در سایت مراجعه کنید.

منابع:

1. https://doi.org/10.1039/D1MA00789K