نانو ذرات لومینسانس پایدار (Persistent Luminescent nanoparticles) ترکیباتی هستند که پس از قطع شدن منبع انرژی قابلیت تابش نور از خود را دارند. همزمان با پیشرفت تکنولوژی، قابلیت های نوری ویژه این ترکیبات باعث شده است تا در سال های اخیر مورد توجه محققین و صنایع قرار گیرند. استفاده از این ترکیبات در تصویر برداری پزشکی و ذخیره سازی اطلاعات مثال های بارزی از کاربردهای ویژه آنهاست. در این مقاله قصد داریم به معرفی نانو ذرات لومینسانس پایدار بپردازیم و روش های سنتز این نانو مواد را بررسی کنیم.
معرفی ترکیبات لومینسانس پایدار
از زمانیکه ماده ساطع کننده نور سبز یعنی استرانسیوم آلومینات داپ شده با عناصر یوروپیوم و دیسپروزیوم (SrAl2O4: Eu2+, Dy3+) کشف شد، مواد و ترکیبات لومینسانس پایدار مورد توجه محققین و صنایع قرار گرفتند. پس از کشف این ماده ارزشمند، تحقیقات گسترده ای صورت گرفت تا ترکیبات دیگری با ویژگی لومینسانس پایدار بعنوان مواد جایگزین توسعه داده شوند. در نتیجه و طی سالیان بعدی ترکیبات دیگری نظیر: نیوبات ها (NbO3) و تایتانات ها (TiO3) با ساختار پروسکایت (Perovskite)، زینک گالات ها، (ZnGa2O4)، فسفات ها (PO4)، ژرمانات ها (GeO3) و سولفید ها همگی بصورت بالک (پودر میکرومتری) تولید شدند که در میان آنها ترکیبات فسفری کاربردهای تجاری نیز پیدا کردند.
یکی از کاربردهای ترکیبات لومینسانس فسفری استفاده از آنها در پنل های ایمنی شبرنگ می باشد که امکان مطالعه اطلاعات مهم و ضروری را در محیط های تاریک فراهم می آورد. علی رغم ویژگی های منحصر بفرد مواد لومینسانس فسفری، این مواد بدلیل برخورداری از ظرفیت ذخیره سازی (Storage Capacity) محدود و نرخ پایین تابش نور (به دلیل افت دما در شب) صرفا برای مصارف درون ساختمانی مناسب می باشند. محدودیت های مواد لومینسانس فسفری باعث شد تا محققین مطالعات بیشتری جهت بهبود عملکرد این مواد انجام دهند و کارایی آنها را برای شرایط برون ساختمانی توسعه دهند. نکته مثبت در مورد ترکیبات لومینسانس فسفری در دسترس بودن این مواد است که به محققین اجازه می دهد تا تحقیقات تکمیلی جهت بهبود عملکرد آنها را به راحتی انجام دهند.
در حال حاضر هدف از اکثر تحقیقاتی که روی ترکیبات لومینسانس فسفری در حالت بالک انجام می گردد افزایش پس درخشش (Afterglow – میزان تابش نور این ترکیبات بعد از قطع شدن منبع انرژی و در عدم حضور نور) با بهینه سازی ترکیب شیمیایی آنها می باشد. با این حال، ایده توسعه ترکیبات لومینسانس فسفری در مقیاس نانومتری و بررسی میزان بهبود عملکرد آنها (کاهش محدودیت های قبلی) از سوی محققین مطرح شد. بعنوان مثال، یکی از مهمترین کاربردهای مواد لومینسانس در تصویر برداری پزشکی می باشد که کمک می کنند تصاویری با دقت و وضوح بالا حاصل شوند. اما محدودیت های این مواد عملکرد آنها را در تصویربرداری تضعیف می نماید. حال اگر ترکیبات لومینسانس در مقیاس نانومتری قرار گیرند می توانند در بدن به راحتی هرچه بیشتر توزیع شده و نهایتا منجر به دستیابی به تصاویر واضح تر و دقیق تر از بدن نسبت به بالک این مواد شوند. علاوه بر تصویربرداری پزشکی، عملکرد ویژه نانو ذرات لومینسانس باعث شد تا کاربردهای جدید دیگری پیدا کنند اعم از تجهیزات ضد جعل اسناد و اطلاعات، سیستم های ذخیره سازی اطلاعات نوری و مبدل های میکرو ال ای دی در نمایشگر ها.
علی رغم ویژگی های منحصر بفرد مواد لومینسانس در مقیاس نانومتری، مشخص شد که کاهش اندازه ذره این مواد باعث افزایش عیوب ساختاری و عیوب سطحی در آنها می گردد که همین موضوع تاثیر منفی بر میزان پایداری درخشش این مواد می گذارد. با این حال، محققین به این نتیجه رسیدند که در مقیاس نانو متری می توان خواص فیزیکوشیمیایی نانو ذرات نظیر ترکیب شیمیایی، مورفولوژی، اندازه ذره و… را مهندسی کرد بطوریکه نقاط ضعف نانو ذرات لومینسانس فسفری برطرف شده و همزمان عملکرد آنها در حالت بهینه قرار گیرد.
استراتژی های سنتز
برای سنتز نانو ذرات لومینسانس پایدار فسفری با عملکرد بهبود یافته لازم است با استفاده از استراتژی های مناسب خواص فیزیکی و شیمیایی آنها را مهندسی نمود. استراتژی های مطرح شده توسط محققین جهت سنتز نانو ذرات لومینسانس به شرح زیر است:
مهندسی ترکیب شیمیایی:
کنترل ترکیب شیمیایی نانو ذرات لومینسانس مهم ترین عامل در دستیابی به محصولی با خواص نوری منحصر بفرد می باشد. داپ کردن عناصر در ساختار نانو ذرات (بصورت تک عنصری یا چند عنصری) یکی از استراتژی های مطلوب در کنترل ترکیب شیمیایی مواد لومینسانس می باشد که منجر به بهبود پس درخشش نانو ذرات لومینسانس فسفری می گردد. دیگر استراتژی مطرح شده جهت تقویت پایداری درخشش نانو ذرات لومینسانس، ایجاد عیوب ساختاری تحت عنوان Trap در نانو ذرات می باشد. نتایج به دست آمده از تحقیقات نشان داده اند که داپ کردن عنصر کمیاب رنیوم (Re) در ساختار نانو ذرات تکنیکی موثر در ایجاد عیب ساختاری Trap در نانو ذرات است.
کنترل اندازه ذره و مورفولوژی:
اندازه ذره نانو ذرات لومینسانس رابطه عکس با میزان عیوب سطحی آنها دارد بطوریکه با کاهش اندازه ذره تعداد عیوب سطحی در ذرات افزایش می یابد. از آنجایی که عیوب سطحی تاثیر زیادی بر میزان درخشش و ظرفیت ذخیره سازی نانو ذرات لومینسانس دارد بنابراین با مهندسی عیوب سطحی در این مواد می توان عملکرد آنها را بهبود داد. نتایج ارائه شده در مطالعات مختلف نشان داده اند که بسته به ترکیب شیمیایی نانو ذرات لومینسانس فسفری عیوب سطحی می توانند هم تاثیر افزاینده و هم تاثیر کاهنده بر درخشش و ظرفیت ذخیره سازی آنها داشته باشند. از این رو، کنترل میزان عیوب سطحی نانو ذرات باید با دقت انجام گردد. علاوه بر عیوب سطحی، موفولوژی نانو ذرات لومینسانس نیز بر خواص نوری آنها تاثیر گذار است بطوریکه طبق مطالعات صورت گرفته موروفولوژی هسته/پوسته (Core/Shell) منجر به خواص نوری بهبود یافته در این مواد می گردد.
مهندسی فوتونی:
در صورتیکه امکان بهینه سازی ترکیب شیمیایی و یا مورفولوژی نانو ذرات لومینسانس فسفری وجود نداشته باشد، فراهم کردن شرایط نوری ایده آل برای این مواد استراتژی دیگری است که می توان مورد استفاده قرار داد. زمانیکه نانو ذرات لومینسانس در شرایط نوری ایده آل قرار گیرند عملکرد و بازدهی آنها بهبود می یابد.
روش های سنتز نانو ذرات لومینسانس
تابحال روش های سنتز گوناگون اعم از روش های بالا به پایین و پایین به بالا برای تولید نانو ذرات لومینسانس مورد استفاده قرارگرفته اند که به بررسی آنها می پردازیم:
در روش های سنتز بالا به پایین از مواد لومینسانس بصورت بالک بعنوان مواد اولیه استفاده شده و اندازه ذره آنها بصورت مکانیکی تا مقیاس نانو متری کاهش می یابد.
روش بال میلینگ (Ball Milling) محبوب ترین روش سنتز بالا به پایین در تولید نانو ذرات لومینسانس می باشد. اما در این روش امکان کنترل مورفولوژی و اندازه ذره محصول نهایی اندک است بطوریکه اندازه ذره در محدوده زیر – میکرون قرار می گیرد.
روش دیگری که بعنوان روش بالا به پایین برای سنتز نانو ذرات لومینسانس استفاده شده روش فرسایش لیزری (Pulsed Laser Ablation) می باشد. این روش به منظور بررسی امکان تولید سوسپانسیون نانو ذرات لومینسانس بکار گرفته شد. بطور کلی می توان گفت که روش های بالا به پایین به علت عدم کنترل کافی در تنظیم مورفولوژی و اندازه ذره برای سنتز نانو ذرات لومینسانس مطلوب نیستند.
با مشخص شدن معایب روش های بالا به پایین در سنتز نانو ذرات لومینسانس فسفری، روش های پایین به بالا مورد بررسی قرار گرفتند. روشی پایین به بالا تحت عنوان روش شیشه – سرامیک (Glass – Ceramic) برای سنتز نانو ذرات لومینسانس فسفری مطرح و استفاده گردید. با وجود اینکه این روش امکان کنترل مطلوب در تنظیم اندازه ذره محصول را فراهم کرده و محصولی با خلوص بالا ارائه می دهد اما قابلیت تولید محصول بصورت سوسپانسیون رو نداشته که همین موضوع محدودیتی برای این روش سنتز می باشد.
امروزه روش های شیمی تر (Wet Chemistry) به شدت مورد توجه قرار گرفته و نتایج مطالعات نشان داده اند که این روش ها محصولی با کیفیت و خواص نوری مطلوب به دست می دهند.
پیشتر در گروه تحقیق و توسعه آرمان نانو فناور به بررسی انواع روش ها سنتز پرداخته ایم:
روش های سل – ژل شناخته شده به عنوان یکی از برترین روش های سنتز نانو مواد،
سنتز نانو مواد به روش رسوبی
سنتز نانو مواد به روش هیدروترمال
سنتز نانو مواد به روش سالووترمال
آشنایی بیشتر با روش های سنتز نانو مواد
روش های بالا روش های رایج سنتز نانو ذرات لومینسانس فسفری می باشند.
این روش ها نه تنها امکان کنترل و تنظیم اندازه ذره و مورفولوژی نانو ذرات را فراهم می آورند بلکه قابلیت دستیابی به نانو ذرات لومینسانس فسفری با پایداری بالا در آب را دارا می باشند. لازم به ذکر است که میزان مصرف انرژی روش های ذکر شده نسبت به روش های قبلی پایین تر است. معایب گزارش شده برای این روش ها عبارتند از:
آگلومره شدن نانو ذرات،
غیر یکنواخت بودن آنها
و همچنین توزیع گسترده اندازه ذرات.
این موضوع نشان می دهد که مطالعات تکمیلی بیشتری نیاز است تا روش سنتزی برای تولید نانو ذرات لومینسانس فسفری توسعه داده شود که امکان مهندسی تمام خواص فیزیکی و شیمیایی آنها را برای دستیابی به خواص نوری ایده آل فراهم آورد. با این حال، مشخص است که با پیشرفت روز افزون تکنولوژی نانو به زودی شاهد محقق شدن سنتز نانو ذرات لومینسانس فسفری با ویژگی ها و عملکرد بهینه و تجاری سازی شدن آنها خواهیم بود.
منابع:
