روش سالووتِرمال (Solvothermal) روشی جدید در سنتز نانو مواد بوده که اساس آن بر گرفته از فرآیند هیدروترمال می باشد. تمامی فاکتور های روش سالووترمال نظیر تجهیزات، مراحل انجام روش سنتز و متغیرات فیزیکوشیمیایی شبیه به روش هیدروترمال می باشد با این تفاوت که در این روش بر خلاف روش هیدروترمال از محلول های غیر آبی استفاده می گردد. در این مقاله به معرفی روش سالووترمال پرداخته و پارامتر های تاثیرگذار آن را بررسی می کنیم.

آشنایی با روش سالووترمال

روش سالووترمال بر آمده از فرآیند هیدروترمال می باشد و تنها تفاوت آن با روش هیدروترمال در این است که در این روش از محلول های غیر آبی حاوی مواد اولیه استفاده می گردد. این روش طی سه دهه اخیر مطرح شده و کاربرد زیادی در تولید دسته وسیعی از مواد معدنی و غیر معدنی و همچنین حوزه فناوری نانو پیدا کرده است.

روش سالووترمال را می توان بدین صورت تعریف کرد: فرآیندی درون یک محفظه بسته (اتوکلاو – Autoclave) که طی آن تجزیه و یا اندرکنش شیمیایی میان مواد اولیه موجود در محلول غیر آبی تحت دمای بالا (دمایی بالاتر از نقطه جوش حلال) و فشار بالا صورت می گیرد.

زمانی که محلول آبی تحت دما و فشار بالا قرار می گیرد فرآیند شیمیایی آغاز شده و در اثر واکنش میان مواد اولیه با یکدیگر ذرات کریستالی با ابعاد نانومتری و غیر قابل انحلال در آب بعنوان محصول نهایی تشکیل می گردند. مواد اولیه مورد استفاده در این روش بسته به ترکیب شیمیایی محصول نهایی متفاوت است اما بطور کلی نمک فلز و کانی ساز (Mineralizer) دو ماده اصلی مورد استفاده در این روش می باشند. تا بحال از این روش برای تولید مواد مختلف نظیر مواد نیمه پایدار (Metastable Materials)، مواد پلیمری زیست تخریب پذیر، مواد معدنی، مواد غیر معدنی، مواد هیبریدی، مواد بیولوژیکی، تک کریستال ها، نانو کریستالیت ها، نانو سیستم ها (نانو سیستم – Nanosystem به ماده اتلاق می شود که متشکل از چند ماده معدنی یا غیر معدنی می باشد) و مواد سرامیکی استفاده شده است.

علاوه بر تولید نانو مواد، از روش سالووترمال برای ایجاد پوشش های لایه نازک استفاده می گردد. از این رو، ویژگی منحصر بفرد روش سالووترمال در فراهم کردن امکان دستیابی به دسته وسیعی از مواد معدنی و غیر معدنی باعث شده است تا توجه محققین حوزه نانو تکنولوژی به سوی این روش جلب گردد. ه

مانطور که در ابتدای این بخش ذکر شد، اساس روش سالووترمال برگرفته از فرآیند هیدروترمال می باشد و بدین ترتیب مکانیزم این روش، نحوه اجرای آن و تجهیزات مورد نیاز مشابه با روش هیدروترمال است. برای آشنایی بیشتر با روش اجرا و مکانیزم روش سالووترمال می توانید به مقاله ای که اخیرا در مورد روش هیدروترمال منتشر کرده ایم مراجعه نمایید.

مجددا تاکید می شود که با وجود شباهت اجرای دو روش سالووترمال و هیدروترمال به یکدیگر، نوع حلال در این روش متفاوت می باشد و در روش سالووترمال از حلال ها غیر آبی استفاده می گردد.

بررسی پارامترهای روش سالووترمال

پارامترهای روش سالووترمال نقش کلیدی در تعیین خواص فیزیکوشیمیایی نانو ذرات ایفا می کنند و کنترل این پارامترها کمک می کند تا دستیابی به نانو ذرات با خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب تسهیل گردد. این روش دارای چندین پارامتر مهم و تاثیر گذار می باشد که در ادامه به بررسی آنها می پردازیم.

پارامتر های شیمیایی

1. نوع حلال و خواص فیزیکوشیمیایی آن: حلالی که در روش سالووترمال به کار برده می شود نقش های متفاوتی ایفا می کند که عبارتند از:
   1. کنترل غلظت مواد شیمیایی اولیه در محلول که روی سینتیک واکنش تاثیر گذار است و
   2. بهینه سازی تناسب و هماهنگی میان مواد اولیه موجود در محلول و متعاقبا کنترل ساختار محصول نهایی. به عنوان مثال، تحقیقی روی سنتز نانو ذرات سولفید منگنز (MnS) انجام گرفت که در آن تاثیر نوع حلال بر ساختار نهایی سولفید منگنز بررسی شد. در این تحقیق نوع مواد اولیه یکسان و ثابت در نظر گرفته شد و فقط نوع حلال متغیر بود. نتایج به دست آمده از آزمایشات نشان دادند که با تغییر نوع حلال می توان سولفید منگنز را در هر سه ساختار آن تولید نمود. حلال های بنزن (Benzene) و تتراهیدروفوران (Tetrahydrofuran) به ترتیب منجر به شکل گیری سولفید منگنز با ساختار بتا و گاما (-MnS & γ – MnSβ  ) شدند که هر دو این ساختار ها نیمه پایدار (Metastable) می باشند. اما زمانیکه از حلال اتیلن دیامین  (Ethylenediamine) استفاده گردید، سولفید منگنز با ساختار آلفا (α – MnS) تشکیل گردید که فاز پایدار سولفید منگنز است. این نتایج نشان می دهند که حلال ها با کنترل سرعت واکنش، شکل گیری ساختاری خاص از یک ترکیب شیمیایی را فراهم می آورند. علاوه بر این موضوع، نوع حلال کنترل کننده مورفولوژی نانو ذرات نیز می باشد و با انتخاب حلال مناسب می توان به مورفولوژی مطلوب دست یافت. لازم به ذکر است که ویسکوزیته حلال نقش مهمی در اندازه ذره محصول نهایی ایفا می کند بطوریکه افزایش ویسکوزیته حلال منجر به افزایش اندازه ذره نانو ذرات می گردد.
2. نوع و انحلال پذیری مواد اولیه: واکنش میان مواد اولیه در روش سالووترمال با غلظت آنها در محلول کنترل می گردد که غلظت مواد اولیه خود وابسته به انحلال پذیری آنها در حلال انتخاب شده می باشد. در مطالعه ای که روی سنتز سولفید کادمیم (CdS) با استفاده از حلال اتیلن دیامین و نیترات کادمیم بعنوان نمک فلز صورت گرفت مشخص شد که با تغییر نوع نمک سولفور در محلول می توان ساختار و مورفولوژی محصول نهایی را کنترل کرد. نتایج بدست آمده نشان دادند که ساختار و مورفولوژی سولفید کادمیم تحت تاثیر میزان جدایش یون سولفور (S^2-) و غلظت آن در محلول می باشد. هر چه انحلال پذیری نمک سولفور در حلال بیشتر باشد میزان جدایش و غلظت S^2- در محلول بیشتر بوده و به دنبال آن سرعت واکنش بیشتر است و در نتیجه این امر فازهای نیمه پایدار سولفید کادمیم تشکیل می گردند. از طرف دیگر، استفاده از نمک سولفور با انحلال پذیری پایین باعث می شود تا سرعت انجام واکنش کاهش یافته و به دنبال آن فاز پایدار سولفید کادمیم تولید گردد.
3. نوع افزودنی ها: افزودنی ها در روش سالووترمال نقش کنترل کننده مورفولوژی نانو ذرات (نانو ذرات کروی، نانو سیم، نانو لوله و…) را بر عهده دارند. انواع مختلفی از افزودنی ها وجود دارند که در این روش اسفاده می شوند. این افزودنی ها عبارتند از:
   1. عامل های پوشش دهنده نظیر پلیمر ها،
   2.آلکیل آمین (Alkylamine) و CTAB بیو مولکول ها
   3. کانی ساز ها
   4. اکسیدانت ها و کاهنده ها.
4. pH محلول: یکی از پارمتر های مهم در این روش مقدار pH محلول می باشد. این پارامتر تاثیرات چندگانه ای دارد بطوریکه که به کمک آن می توان:
   1. ترکیب شیمیایی محصول نهایی را کنترل نمود
   2. ساختارهای مختلف مواد را تثبیت کرد
   3. موروفولوژی و اندازه ذره محصول را کنترل کرد
   4. امکان تولید نانو کامپوزیت ها را فراهم نمود

پارامتر های ترمودینامیکی

1. دمای فرآیند: با کنترل دمای فرآیند می توان فاکتور هایی نظیر سرعت انجام واکنش شیمیایی، انحلال پذیری مواد اولیه در حلال، ترکیب شیمیایی حلال، پایداری مواد اولیه، فرآیند های اکسایش یا کاهش در محلول و ترکیب شیمیایی محصول نهایی را اصلاح نمود.
2. فشار فرآیند: فشار نیز مانند دما نقش های متفاوتی را در روش سالووترمال ایفا می کند که عبارتند از: 1. تثبیت ساختار محصول 2. افزایش دامنه پایداری حرارتی مواد اولیه 3. بهبود فعالیت شیمیایی و سرعت واکنش های شیمیایی در محلول.

منابع:

1. https://doi.org/10.1515/znb-2010-0805