گستردگی و پیشرفت تکنولوژی نانو در سال های اخیر باعث شده است تا روش هایی تحت عنوان “روش های سنتز سبز” مطرح گردند. هدف از ارائه این روش ها، کاهش میزان مصرف انرژی، کاهش مصرف منابع حیاتی و نادر محیط زیست و در نهایت کاهش پسماند های سمی و مضر ناشی از سایر روش های مرسوم تولید می باشد. یکی از مهم ترین و شناخته شده ترینِ این روش ها، روش سونوکِمیکال است که با استفاده از امواج التراسونیک امکان سنتز نانو مواد را فراهم می کند.  در این مقاله روش سونوکمیکال و پارامتر های را تاثیرگذار معرفی می کنیم و نحوه عملکرد آن را بررسی خواهیم کرد.

معرفی روش سونوکمیکال

ریشه و اساس روش سونوکمیکال را شرایط فوق العاده ناپایدار ناشی از امواج التراسونیک که در آن دما می تواند تا 5000 درجه کلوین افزایش یافته، فشار تا 1000 اتمسفر قابل دسترسی بوده و سرعت کاهش و یا افزایش دما تا 10¹⁰ درجه کلوین بر ثانیه باشد تشکیل می دهد. همانطور که مشخص است فراهم کردن چنین شرایط ترمودینامیکی منحصر بفردی در حالت عادی نیازمند فرآیند ها و تجهیزات پیچیده و گرانقیمت می باشد که شدیدا دشوار و هزینه بر بوده و امکان آن در سایر روش های سنتز نانو مواد وجود ندارد. اما در روش سونوکمیکال با استفاده از امواج التراسونیک می توان با کمترین میزان مصرف انرژی و هزینه به چنین شرایطی دست یافت و همین موضوع باعث شده است تا این روش بعنوان یکی از روش های سنتز سبز شناخته شده که قابلیت تولید نانو مواد را طی فرآیندی پاک، کوتاه مدت و ارزان قیمت دارد.

بطور کلی در روش سونوکمیکال، محلولی که حاوی مواد اولیه می باشد تحت امواج التراسونیک قرار گرفته و در اثر برخورد هایی که میان امواج التراسونیک و محلول شکل می گیرد نانو ذرات حاصل می شوند. اما چگونه امواج التراسونیک قابلیت سنتز نانو مواد را فراهم می کنند؟ زمانی که امواج التراسونیک در محیط مایع گسترش می یابند پدیده ای فیزیکی تحت عنوان “کاویتاسیون آکوستیک” (Acoustic Cavitation) اتفاق می افتد که شامل سه مرحله شکل گیری، رشد و انفجار میکرو حباب ها می باشد. برای درک بهتر این پدیده لازم است هر مرحله را دقیق تر شرح دهیم:

1. شکل گیری میکرو حباب: زمانی که امواج صوتی با دامنه مناسب در محلول گسترش می یابند، محلول تحت تنش کششی دینامیک قرار گرفته و غلظت آن در اثر حرکت نوسانی امواج صوت متغیر می گردد. همانطور که می دانیم امواج صوتی امواجی مکانیکی هستند که دارای حرکت نوسانی بوده (مانند فنر) و حین انتشار در یک محیط مادی (مایع، جامد و گاز) باعث فشردگی و انبساط پی در پی مولکول های موجود در محیط می شوند. این فشردگی و انبساط پی در پی ایجاد شده عامل تغییر غلظت تناوبی محلول می باشد. از ابتدا در محلول جوانه های گازی بسیار کوچک وجود دارند که در اثر تغییر غلظت تناوبی ایجاد شده در محلول رشد کرده و تبدیل به میکرو حباب ها می شوند.
2. رشد میکرو حباب: زمانیکه میکرو حباب ها شکل گرفته و تحت امواج صوتی قرار می گیرند، رفتار نوسانی امواج باعث می شود تا ابعاد این حباب ها بطور پی در پی در نوسان باشد. این پدیده بدین معنی است که حباب ها زمانی که در منطقه فشردگی امواج قرار گرفته فشرده شده و بلافاصله وارد منطقه انبساطی امواج شده و ابعادشان بزرگ می شود و این روند بطور پی در پی اتفاق می افتد که به مرور موجب رشد میکرو حباب ها تا چند ده میکرومتر می گردد. لازم به ذکر است که فرآیند رشد جباب ها تا حد معینی صورت گرفته و ابعاد حباب بیشتر از آن رشد نمی کند. حد رشد میکرو حباب ها تحت تاثیر نوع و خلوص محلول متغیر است.
3. انفجار میکرو حباب: زمانی که میزان رشد حباب به حد بحرانی می رسد و بعبارت دیگر بیش از اندازه رشد می کند، انفجار شدید حباب اتفاق می افتد. انفجار حباب باعث می شود تا شرایط ترمودینامیکی منحصر بفردی که شامل دما و فشار فوق العاده بالا می باشد فراهم آید. این شرایط ترمودینامیکی ویژه گذرا و کوتاه مدت می باشد و در همین مدت زمان کوتاه قابلیت دستیابی و سنتز نانو مواد با ترکیبات مختلف و حتی موادی با ترکیبات خاص که تولید آنها نیازمند دما و فشار بالا می باشد را ایجاد می نماید.

با درک بهتر پدید کاویتاسیون مشخص می شود که در روش سونوکمیکال می توان با کمترین تجهیزات و بدون صرف هزینه و انرژی اضافی شرایط ایده آل برای سنتز انواع مواد را فراهم نمود. در تصویر زیر شماتیک پدیده کاویتاسیون آکوستیک نشان شده است.

(شماتیک پدیده کاویتاسیون آکوستیک در روش سونوکمیکال)

مکانیزم روش سونوکمیکال

حال که با پدیده کاویتاسیون اکوستیک آشنا شدیم می توان مکانیزم تولید نانو ذرات را در روش سونوکمیکال توضیح داد. سنتز نانو مواد با روش سونوکمیکال به دو صورت انجام می شود: 1. با استفاده از مواد اولیه فرار (Volatile) مانند کربنات فلزات در حلال غیر فرار مانند روغن سیلیکون یا حلال های هیدروکربنی زنجیره بلند 2. با استفاده از مواد اولیه غیر فرار (Non-volatile) در حلال فرار مانند آب و الکل. هر یک از این دو حالت دارای مکانیزم سنتز متفاوت می باشند که در ادامه آنها را بررسی می کنیم:

حالت اول: در این سیستم، زمانیکه محلول مواد اولیه (کربنات فلز) تحت تابش امواج التراسونیک قرار می گیرد پدیده کاویتاسیون صورت گرفته ودر اثر دمای زیاد ایجاد شده حین انفجار میکرو حباب پیوند میان کربنات و فلز شکسته شده و اتم فلز ازاد می گردد. اتم فلز آزاد شده دارای فعالیت شیمیایی بالایی بوده که با تکمیل انفجار حباب از داخل حباب وارد محلول شده و با سایر مواد شیمیایی موجود در محلول وارد واکنش می شود و بدین ترتیب تبدیل به نانو ذرات با ترکیبات شیمیایی مختلف اعم از اکسید فلز، سولفید فلز، کاربید فلز، نیترید فلز، آلیاژ فلز و…. می گردد. در این سیستم می توان با بکارگیری عامل تثبیت کننده در محلول از رشد بیش از حد نانو ذرات تولید شده جلوگیری کرد و اندازه ذره آنها را کنترل نمود. از این سیستم برای سنتز نانو ذراتی نظیر گرافن، Fe، Ni، Co، الیاژ Fe-Co، MoS₂، W₂C، Mo₂C، Fe₂O₃، Co₃O₄ و…. استفاده گردیده است.

حالت دوم: زمانیکه پدیده کاویتاسیون در این سیستم اتفاق می افتد، دما و فشار فوق العاده زیاد آزاد شده در حین انفجار میکروحباب باعث می شود که مولکول های گازی آب یا به عبارت دیگر بخار آب موجود در داخل حباب احت فرآیند سونولیز (Sonolysis) قرار گرفته که طی این فرآیند مولکول گازی آب تبدیل به رادیکال های فعال H^o و OH^o می شود. این رادیکال ازاد شده در ادامه می توانند با افزودنی های آلی موجود در محلول وارد واکنش شده و منجر به تشکیل رادیکال های ثانویه (R^o) شوند. این رادیکال های ثانویه همراه با رادیکال های H^o و OH^o عاملین کاهش دهنده قوی بوده که به راحتی با یون فلزات موجود در محلول مواد اولیه وارد واکنش شده و در نتیجه این واکنش نانو ذرات فلزات حاصل می گردد. این سیتم برای تولید نانو ذرات فلزات نجیب مناسب می باشد. از این سیستم برای سنتز نانو ذرات Ag، Pt، Pd، Au، Pt/Ru، Au/Ag، Pd/Au و…. استفاده شده است. در صورتیکه در این سیستم و در محلول مواد اولیه افزودنی های حاوی اکسیژن یا سولفور وجود داشته باشد می توان نانو ذرات اکسید فلز و سولفید فلز را سنتز نمود. در این حالت رادیکال های H^o و OH^o با افزودنی ها واکنش داده و رادیکال فعال ثانویه O^o و S^o را آزاد می کنند. سپس این رادیکال های ثانویه با یون فلز موجود در محلول وارد واکنش شده و منجر به تولید نانو ذرات اکسید یا سولفید فلز می شود.

سایر کاربرد های روش سونوکمیکال

همانطور که گفته شد روش سونوکمیکال قابلیت ایجاد شرایط ترمودینامیکی فوق العاده شدید را که مناسب سنتز نانو مواد با ترکیبات خاص می باشد را دارا می باشد. اما قابلیت های این روش تنها محدود به سنتز نانو مواد نمی باشد و کاربردهای دیگری نیز دارد که عبارتند از:

1. لایه نشانی نانو ذرات روی سطوح
2. داپ کردن عناصر مختلف در ساختار نانو مواد
3. زمانیکه در پدیده کاویتاسیون میکرو حباب دچار انفجا می شود موج شوک (Shockwave) حاصل از انفجار می تواند قابلیت های گوناگونی را در روش سونوکمیکال ایجاد نماید مانند: امکان پذیر شدن فرآیند لایه برداری برای تولید گرافن، ساخت امولسیون، خردایش مواد شکننده و اصلاح سطح سطوح جامد.

با توجه به مطالب ارائه شده مشخص است که روش سونوکمیکال روشی پیشرو در تکنولوژی نانو بوده که قابلیت های متنوع آن عملکرد و بازدهی این روش را زمینه های مختلف نانو فناوری اعم از سنتز نانومواد، اصلاح سطح در مقیاس نانومتری، پوشش دهی نانومتری و…. بهبود داده است. با توجه به اینکه این روش نیازمند تجهیزات پیچیده و گرانقیمت نمی باشد استفاده از آن  مورد توجه محققین و تولید کنندگان نانو تکنولوژی قرار گرفته است.

منابع:

1. https://doi.org/10.1039/C2CS35282F
2. https://www.hielscher.com/fa/ultrasonic-cavitation-in-liquids-2.htm