سوپر کریستال ها نانو ساختارهایی با خواص نوری منحصر بفرد می باشند که توسعه آنها در سال های اخیر قدم بزرگی در پیشرفت صنعت انرژی بوده است. اهمیت این نانو مواد تازه توسعه یافته باعث شده است تا مطالعات زیادی روی دستیابی به روشی بهینه برای سنتز و تولید سوپر کریستال ها انجام شوند. در صورتیکه بتوان روش تولید سوپرکریستال ها را در هر دو مقیاس آزمایشگاهی و صنعتی بهینه سازی کرد می توان از این ماده در شاخه های مختلف تکنولوژی بهره برد. نتیجه تحقیقات پژوهشگران، توسعه روش ها و تکنیک های گوناگونی برای سنتز سوپر کریستال ها بوده است که در این مقاله به معرفی و بررسی متداول ترین آنها می پردازیم.
روش های توسعه داده شده در تولید سوپر کریستال ها
در مقاله ای که اخیرا منتشر کردیم در مورد سوپر کریستال ها، ساختار و خواص نوری آنها توضیح داده شد.
اما دستیابی به چنین نانو ساختار منظم و یکنواختی نیازمند بکارگیری روش ها و تکنیک های ویژه می باشد. پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که نانو ذرات بهترین و ایده آل ترین جزء سازنده یا بعبارتی سنگ بنا برای ساخت سوپر کریستال ها می باشند. از این رو، مطالعات گسترده ای روی دستیابی به روش یا روش هایی انجام دادند که بتوان توسط آنها نانو ذرات را بطور منظم و بهم چسبیده کنار هم قرار داده و سوپرکریستال سنتز نمود.
آنها همچنین متوجه شدند که یکی از چالش های بزرگ این فرآیند اندرکنش های میان نانو ذرات است که عبارتند از: نیروهای واندر والسی، کلومبیک (Coulombic)، نیروی موئینگی، برشی، همرفتی و… بطوریکه تاثیر زیادی روی یکنواخت شدن ساختار سوپرکریستال سنتز شده خواهند گذاشت. بنابراین باید روشی توسعه داده شود که در آن بتوان اندرکنش های میان نانو ذرات را کنترل نمود. با توجه به چالش های موجود در سازماندهی نانو ذرات بصورت یکنواخت، روش ها و استراتژی های گوناگونی توسط پزوهشگران توسعه داده شدند و مشخص گردید که روش های پایین به بالا بهترین راه برای سنتز سوپرکریستال ها می باشند. در ادامه چند روش بهینهِ توسعه یافته در سال های اخیر توضیح داده شده اند:
- روش اول: رایج ترین روش سنتز سوپر کریستال ها با ساختار یکنواخت از طریق تبخیر آهسته و کنترل شده محلول های کلوئیدی غلیظ حاوی نانو ذرات فلزات پلاسمونی می باشد. در این روش، قطره ای از محلول کلوئیدی آماده شده روی یک زیرلایه قرار داده می شود. درون قطره کلوئید جریان همرفتی (Convective Flow) بوجود می آید که حرکت این جریان از سطح قطره به سمت مرکز آن بوده و نانو ذرات را در این مسیر منتقل می نماید. همزمان با جریان همرفتی تبخیر حلال اتفاق می افتد؛ با تبخیر تدریجی حلال نانو ذراتی که درون قطره دارای حرکت همرفتی می باشند به آرامی روی سطح زیرلایه کنار یکدیگر قرار گرفته (رسوب می کنند) و تشکیل نانو ساختاری یکنواخت یا سوپر کریستال را می دهند.
- روش دوم: روش دوم در تمامی مراحل مشابه با روش اول می باشد با این تفاوت که در این روش از تبخیر شدن حلال جلوگیری شده و از نیروی جاذبه برای رسوب دهی تدریجی نانو ذرات فلزات پلاسمونی روی زیر لایه استفاده می گردد. در این روش، اندازه ذره نانو ذرات موجود در قطره کلوئیدی باید به اندازه ای بزرگ باشند که توسط نیروی گرانش شروع به رسوب تدریجی نمایند. اندازه ذره مقداری بهینه دارد؛ درصورتیکه اندازه ذرات کمتر از حد بهینه باشد رسوب تدریجی اتفاق نیفتاده و اگر اندازه ذره بیشتر از مقدار بهینه باشد رسوب نانو ذرات سریع بوده و ساختار غیر یکنواختی حاصل می شود. رسوب تدریجی نانو ذرات روی زیرلایه باعث شده است تا سوپر کریستال سنتز شده توسط این روش ساختار یکنواخت تری نسبت به روش اول داشته باشد.
- روش سوم: یکی دیگر از راه های قرار دادن نانو ذرات کنار یکدیگر بطور منظم استفاده از زیرلایه هایی با خواص توپوگرافی (به معنی ایجاد نقاط و یا خطوط با طرح مشخص در سطح زیرلایه است) می باشد. برای چنین منظوری سطح زیرلایه تحت فرآیند لیتوگرافی (Lithography – یکی از روش های مرسوم چاپ می باشد که بوسیله آن طرح های توپوگرافی روی سطوح چاپ یا حکاکی می شوند) قرار می گیرد. به عنوان مثال در این روش از زیرلایه ای استفاده می شود که روی سطح آن سوراخ های نانومتری که با فواصل نانومتری و بطور منظم کنار یکدیگر قرار گرفته اند چاپ شده است. زمانی که قطره کلوئیدی حاوی نانو ذرات فلزات پلاسمونی روی زیرلایه قرار داده شد یک سطح شیشه ای نیز روی قطره گذاشته می شود و بعبارتی قطره میان زیرلایه و سطح شیشه ای قرار می گیرد. در ادامه، فرآیند تبخیر حلال شروع شده و سطح تماس حلال با زیرلایه به سمت عقب حرکت می نماید. با شروع عقبگرد سطح تماس حلال با زیرلایه، نانو ذرات معلق درون قطره تحت نیروی موئینگی (Capillary Force) حلال قرار گرفته و درون نانو سوراخ های حکاکی شده در سطح زیرلایه قرار می گیرند. پس از اتمام فرآیند تبخیر و قرار گیری نانو ذرات درون حفرات، سوپرکریستالی با ساختار منظم و یکنواخت حاصل می گردد. در تصویر زیر شماتیکی از فرآیند این روش نشان داده شده است. لازم به ذکر است که این روش بدلیل نیاز به فرآیند لیتوگرافی نسبت به روش های قبلی گرانقیمت تر می باشد.
(شماتیک فرآیند روش سوم در سنتز سوپرکریستال ها)
پارامتر های مهم در سنتز سوپر کریستال ها
مهم ترین شرط سنتز سوپرکریستال با کیفیت و با بازدهی بالا این است که ساختار آن یکنواخت و همگن باشد. بنابراین لازم است تا کنترل دقیقی روی فرآیند تولید سوپرکریستال ها اعمال شود و روشی که برای سنتز اتخاذ می گردد قابلیت لازم برای کنترل پارامترهای سنتز این ماده را داشته باشد. در بخش قبلی روش های مرسوم سنتز سوپرکریستال ها را معرفی کردیم و در این بخش به معرفی پارامتر های تاثیرگذار روش سنتز پرداخته و نحوه تاثیرگذاری آنها بر فرآیند تولید و کیفیت محصول نهایی را شرح می دهیم. برای اینکه سازماندهی و قرار گیری نانو ذرات کنار یکدیگر مطلوب باشد باید پارامتر های روش سنتز به خوبی کنترل شوند؛ این پارامتر ها عبارتند از:
- کیفیت جزء سازنده یا نانو ذرات: کیفیت نانو ذرات پلاسمونی استفاده شده در ساخت کلوئید یکی از عوامل مهم در یکنواختی ساختار محصول نهایی می باشد. نانو ذراتی که بکار برده می شوند باید دارای اندازه ذره و مورفولوژی یکنواخت و مشابه با هم باشند.
- نوع حلال: حلال کلوئید می تواند قطبی یا غیر قطبی باشد اما تحقیقات نشان داده اند که سوپر کریستال های سنتز شده توسط حلال های قطبی بازدهی و عملکرد بهتری در شکل گیری نقاط داغ (Nano Hotspots) در سطح خود دارند. در میان حلال های قطبی، آب و حلال های قابل امتزاج با آب بهترین انتخاب برای سنتز سوپر کریستال ها هستند.
- سرعت تبخیر حلال: سرعت تبخیر حلال در فرآیند سنتز حتما باید پایین باشد تا جریان همرفتی مطلوبی درون قطره کلوئیدی قرار داده شده روی سطح زیرلایه ایجاد شود. پایین بودن سرعت تبخیر حلال یکی از پارامترهای تاثیرگذار در شکل گیری نانو ساختاری یکنواخت است.
- شیمی سطح زیرلایه: شیمی سطح زیرلایه در فرآیند سنتز اهمیت زیادی دارد. سطح زیرلایه نباید دارای بار الکتریکی همنام با بار الکتریکی سطح نانو ذرات درون کلوئید باشد چرا که این موضوع منجر به ایجاد نیرو های دافعه میان سطح و نانو ذرات شده و رسوب نانو ذرات روی زیرلایه مختل می شود. خیس شوندگی سطح زیرلایه نیز باید مطلوب باشد تا قطره کلوئید قرار گرفته روی آن چسبندگی و زاویه تماس خوبی با سطح ایجاد نماید. به عنوان مثال اگر حلال استفاده شده در کلوئید آب است سطح زیرلایه باید آبدوست باشد تا فرآیند سنتز به خوبی انجام شده و ساختاری یکنواخت حاصل گردد.
- شیمی سطح نانو ذرات: برای آماده سازی کلوئید نانو ذرات فلزات پلاسمونی از مواد اصلاح کننده سطح یا سرفکتانت (Surfactant) استفاده می شود. محلول کلوئیدی آماده شده باید عاری از سرفکتانت باقی مانده در خود باشد چرا که در غیر اینصورت سرفکتانت باقی ماده روی سطح زیر لایه قرار گرفته و اندرکنش دافعه با نانو ذرات موجود در قطره ایجاد کرده و مانع از رسوب مطلوب آنها روی زیرلایه می گردد. زمانیکه فرآیند سنتز تکمیل می شود، لایه ای از ماده سرفکتانت سطح سوپرکریستال تشکیل شده را می پوشاند که وجود آن اندرکنش میان اتم های سطح سوپر کریستال و امواج نور را مختل کرده و خواص نوری تضعیف می گردد. بنابراین باید سطح سوپر کریستال پس از سنتز پاکسازی شود.
- نوع ماده اصلاح کننده سطح یا سرفکتانت: ترکیب شیمیایی سرفکتانت استفاده شده در آماده سازی کلوئید نانو ذرات در فرآیند سنتز تاثیرگذار است. زمانیکه نانو ذرات توسط سرفکتانت اصلاح سطح می شوند میان مولکول های سرفکتانت در سطح نانو ذرات اندرکنش ایجاد می شود که این اندرکنش ها تاثیرگذار بوده و باید غلظت سرفکتانت در آماده سازی کلوئید بهینه باشد. به عنوان مثال، CTAB یکی از رایج ترین سرفکتانت های نانو ذرات فلزات پلاسمونی می باشد. زمانیکه نانو ذرات روی سطح زیرلایه رسوب کرده و کنار یکدیگر قرار می گیرند، میان مولکول های CTAB در سطح نانو ذرات اندرکنش Interdigitation (اتصال مولکول ها به یکدیگر) اتفاق می افتد که نتیجه آن اتصال قوی نانو ذرات با یکدیگر است. بنابراین انتخاب سرفکتانت مناسب عاملی مهم در سنتز نانو ساختاری یکنواخت می باشد.
منابع:
