در این مقاله به معرفی و بررسی یکی از پرکاربرد ترین و رایج ترین روش های تولید در حوزه فناوری نانو می پردازیم. روش سل – ژل بعلت انعطلاف پذیری بالای خود قابلیت های گوناگونی را در اختیار محققین و تولید کنندگان این حوزه قرار می دهد. این روش علاوه بر امکان تولید نانو ذرات امکان ساخت قیلم های نازک نانو متری، پوشش دهی سطوح و تولید اروژل را در اختیار قرار می دهد. ویژگی های این روش باعث شده است تا اخیرا توجهات زیادی را به سمت خود جلب کند.

معرفی روش سل – ژل

روش سل – ژل در دسته روش های سنتز شیمیایی (شیمیایی تر) قرار می گیرد که برای تولید دسته وسیعی از نانو مواد مخصوصا اکسید فلزات در هر دو مقیاس آزمایشگاهی و صنعتی استفاده می گردد. اساس روش سل- ژل بر دستیابی به یک محلول یکنواخت از مواد اولیه و تبدیل آن به ژل می باشد.

بطور کلی در این روش و در مرحله اول، مواد اولیه که شامل نمک فلزات می باشند در حلال (آب یا الکل) حل شده تا محلولی یکنواخت حاصل گردد. در مرحله دوم، محلول بدست آمده هم زده شده و تحت حرارت قرار می گیرد تا از طریق فرآیند هیدرولیز (Hydrolysis) تبدیل به ژل شود.

در مرحله سوم و پایانی، ژل بدست آمده بسته به اینکه کاربرد آن چه می باشد توسط روش های مناسب خشک می گردد. روش سل – ژل شامل پارامتر های مختلفی نظیر نرخ واکنش پذیری مواد اولیه، نوع و ترکیب مواد اولیه، غلظت مواد اولیه در محلول، pH محلول، دمای فرآیند و نوع حلال می باشد که کنترل کننده خواص فیزیکوشیمیایی محصول نهایی هستند.  این روش قابلیت تولید محصولات با خلوص بسیار بالای 9/99% را دارد.

از دیگر ویژگی های این روش می توان به دمای کاری پایین آن (70-320 درجه سانتی گراد) اشاره کرد که موجب شده است تا عملیاتی شدن روش سل – ژل تسهیل شود. تشکیل شدن ژل در این روش باعث شده است تا بتوان ژل بدست آمده را قالب ریزی کرد که این قابلیت برای تولید فیلترهایی با ویژگی های منحصر بفرد نانومتری کارآمد است. علاوه بر امکان تولید نانو ذرات، امکان تولید فیلم ها و پوشش های نازک با ضخامت 50-500 نانومتر توسط این روش وجود دارد.

سایر ویژگی های روش سل – ژل عبارتند از:

1. ساده بودن انجام روش سنتز

2. بازدهی بالا در تولید

3. قابلیت تولید مواد کامپوزیتی با ترکیب شیمیایی یکنواخت

4. قابلیت کنترل طراحی و کنترل ترکیب شیمیایی نانو مواد

5. قابلیت تولید نانو الیاف و انواع اروژل ها

6. قابلیت تولید نانو مواد با ساختار آمورف

7. امکان کنترل خواص فیزیکوشیمیایی نانو مواد 7. هزینه تولید پایین.

کاربرد های روش سل – ژل

همانطور که در بالا ذکر شد به کمک روش سل – ژل می توان فرآیند های گوناگونی را انجام داد که این امر موجب شده است تا این روش از انعطاف پذیری بالایی برخوردار باشد. برای درک بهتر انعطاف پذیری روش سل – ژل، با استفاده از تصاویر زیر فرآیند ها و محصولات گوناگونی را که می توان با این روش به آنها دست یافت نشان داده ایم.

(در این تصویر انواع ژل و فرآیند تشکیل مختص به آنها در روش سل – ژل نشان داده شده است)

(در این تصویر فرآیند های مختلف پوشش دهی و ایجاد لایه نازک به همراه فرآیند تو لید نانو ذرات در روش سل – ژل نشان داده شده است)

(در این تصویر محصولات گوناگونی را که می توان توسط روش سل – ژل تولید نمود نشان داده شده است)

شرح دقیق تر روش سل – ژل به کمک بررسی مورد مطالعاتی

همانطور که گفته شد روش سل – ژل قابلیت انجام فرآیند های گوناگون نظیر تولید نانو ذرات، تولید پوشش های نازک، تولید اروژل ها و…. را در اختیار محققین و تولید کنندگان قرار می دهد و هر کدام از این فرآیند مراحل انجام مختص به خود را دارند و این امر باعث شده است تا این روش گستردگی بالایی داشته باشد. از این رو برای آشنایی بیشتر با روش سل – ژل، فرآیند تولید نانو ذرات با استفاده از این روش در ادامه شرح داده شده است. برای این منظور به بررسی یک مورد مطالعاتی که در آن از روش سل – ژل برای تولید نانو ذرات اکسید روی استفاده شده است می پردازیم.

گروهی از محققین از روش سل – ژل برای سنتز نانو ذرات اکسید روی استفاده کردند. در این پژوهش از نیترات روی (ZnNO₃) و هیدروکسید سدیم (NaOH) بعنوان مواد اولیه استفاده گردید. مراحلی که برای تولید نانو ذرات اکسید روی طی شد شرح زیر است:

1. نیترات روی و سدیم هیدروکسید در دو ظرف مجزا حاوی 50 میلی لیتر آب دیونیزه حل شده و به مدت 5 دقیقه توسط همزن مغناطیسی همزده شدند تا محلولی یکنواخت حاصل گردید.
2. محلول حاوی سدیم هیدروکسید توسط سرنگ بصورت قطره قطره به محلول حاوی نیترات روی اضافه گردید و هر دو محلول با یکدیگر بطور کامل ترکیب شدند. در این مرحله زمانیکه محلول سدیم هیدروکسید اضافه می شود محلول نیترات روی با اضافه شدن به آرامی تغییر رنگ داده و سفید رنگ می گردد. این تغییر رنگ و تبدیل شدن محلول شفاف به محلولی کدر و سفید رنگ نشان دهنده آغاز شدن فرآیند شیمیایی می باشد. لازم به ذکر است که هر دو مرحله 1 و 2 در دمای اتاق انجام شدند.
3. محلول نهایی کدر و سفید رنگ به مدت 2 ساعت توسط همزن مغناطیسی همزده شد.
4. پس از اتمام 2 ساعت همزدن، محلول به دستگاه سانتریفیوژ منتقل گردید. در این مرحله محلول سانتریفیوژ گردید تا رسوبات تشکیل شده در محلول جداسازی شوند و در نهایت ژل بدست آید. فرآیند سانتریفیوز محلول 3 نوبت انجام شد. پس از اتمام نوبت اول سانترفیوژ، اب دیونیزه به ظرف حاوی محلول اضافه گردید و فرآیند سانتریفوژ برای بار دوم تکرار شد. پس از اتمام بار دوم سانتریفیوژ، اینبار به ظرف حاوی محلول اتانول اضافه گردید و فرایند سانتریفیوژ برای بار سوم و نهایی انجام گردید. در پایان فرآیند سانتریفیوژ محلول ژل تشکیل گردید. مرحله سانتریفیوژ نیز تحت دمای اتاق صورت پذیرفت.
5. ژل حاصل شده به ظرفی تحت عنوان پِتری دیش (Petri Dish) منتقل شد. ظرف مورد نظر سپس توسط فویل آلومینیوم سوراخ دار پوشیده شد و به مدت 24 ساعت در دمای اتاق نگهداری شد تا خشک گردد.
6. ژل خشک شده در دمای اتاق به دستگاه خشک کن یا آون (Oven) منتقل شد و به مدت 10 دقیقه نگهداری شد.
7. ژل در کوره قرار گرفت و به مدت 3 ساعت تحت دمای 500 درجه سانتی گراد قرار گرفت. به این فرآیند کلسیناسیون یا کلسینه کردن گفته می شود.
8. پس از اتمام فرآیند کلسیناسیون، محصول نهایی بصورت پودر حاوی نانو ذرات اکسید روی بدست آمد.

با توجه به مطالب ذکر شده در مورد روش سل – ژل مشخص می شود که این روش علاوه بر ویژگی ها و کارایی های مختلف خود به سادگی قابل اجرا می باشد. این روش می تواند در مقیاس صنعتی نیز استفاده شده و محصولاتی با کیفیت بالا و خواص فیزیکوشیمیایی منحصر بفرد تولید کرد. در مقاله ای دیگر به روش سل – ژل نگاه عمیق تری داشته، پارامتر های تاثیرگذار آن را معرفی کرده و تاثیر هر کدام از این پارامتر ها در خواص فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات را توضیح خواهیم داد.

چنانچه علاقه مند بهخ مططالعه بیشتر در خصوص روش های تولید نانو ذرات هستید میتوانید از طریق لینک زیر مشاهده کنید.

بررسی انواع روش های تولید نانو ذرات مواد

منابع:

1. 1088/1757-899X/1219/1/012019
2. 1155/2021/5102014