نانو ذرات

[mani24 29665]

[h=2]نانو ذرات[/h]

با گذر از میکروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می‌شویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از:

1.افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و2. ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.

افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به‌تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه‌یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می‌گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزور‌ها و ساختارهایی همچون الکترودها- یا افزایش کارآیی فناوری‌هایی همچون پیل سوختی و باتری‌ها- می‌باشد. مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط‌ شده در نانوکامپوزیت‌ها می‌شود و خواص ویژه‌ای همچون افزایش استحکام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب می‌شود.از مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتومی به صورتی ناگهانی‌تر رخ می‌دهد. به محض آن که ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می‌کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند؛ چون الکترون‌های آزاد آنها مشابه الکترون‌های محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می‌کنند. علاوه بر این، کوچک‌تربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می‌نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته‌بندی، مواد آرایشی و روکش‌ها مناسب باشند. برخی از خواص نانوذرات با درک افزایش اثر اتم‌های سطحی یا اثرات کوانتومی به‌راحتی قابل پیش‌بینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است که «نانوکره‌های» به‌خوبی شکل‌یافتة سیلیکون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نه‌تنها سخت‌تر از سیلیکون می‌باشند بلکه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار می‌گیرند. نانوذرات از زمان‌های بسیار دور مورد استفاده قرار می‌گرفتند. شاید اولین استفاده آنها در لعاب‌های چینی سلسله‌های ابتدایی چین بوده است. در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ‌های متفاوتی از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید. البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است. کربن بلک مشهورترین مثال از یک ماده نانوذره‌ای است که ده‌ها سال به طور انبوه تولید شده است. حدود 5/1 میلیون تن از این ماده در هر سال تولید می‌شود. البته نانوفناوری راهی برای استفادة آگاهانه و آزادانه از طبیعت نانومقیاس ماده است و کربن بلک‌های مرسوم نمی‌توانند برچسب نانوفناوری را به خود بگیرند. با این حال قابلیت‌های تولید و آنالیز جدید در نانومقیاس و پیشرفت‌های ایجادشده در درک نظری رفتار نانومواد- که قطعاً به معنای نانوفناوری است- می‌تواند به صنعت کربن بلک کمک نماید.نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می‌شوند؛ معمول‌ترین آنها نانوذرات سرامیکی می‌باشد، که به بخش سرامیک‌های اکسید فلزی- نظیر اکسید‌های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن- نانوذرات سیلیکات که عموماً به شکل ذرات نانومقیاسی خاک رس می‌باشند، تقسیم می‌شوند. طبق تعریف حداقل باید یکی از ابعاد آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سرامیکی فلزی یا اکسید فلزی تمایل به داشتن اندازة یکسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممکن است شما انتظار داشته باشید که چنین ذرات کوچکی در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسیلة نیروهای الکتروستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب می‌کنند).نانوذرات سیلیکاتی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند ذراتی با ضخامت تقریباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سال‌ها پیش از این تولید می‌شده‌اند، معمول‌ترین نوع خاک رس که مورد استفاده قرار می‌گیرد مونت‌موریلونیت (Montmorillonite)، یا آلومینوسیلیکات لایه‌ای می‌باشد. نانوذرات می‌توانند با پلیمریزاسیون یا به وسیلة آمیزش ذوبی (اختلاط با یک پلاستیک مذاب) با پلیمرها ترکیب شوند. برای پلاستیک‌های ترموست این یک فرآیند یک‌ طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محکم و سفت می‌شوند و نمی‌توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستیک‌ها می‌توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.نانوذرات فلزی خالص می‌توانند بدون اینکه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پائین‌تر از دمای ذوب ذرات بزرگ‌تر، وادار به آمیخته شدن با یک جامد شوند؛ این کار منجر به سهل‌تر شدن فرآیند تولید روکش‌ها و بهبود کیفیت آنها، خصوصاً در کاربردهای الکترونیکی نظیر خازن‌ها، می‌گردد. نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی نیز می‌توانند در ایجاد لایه‌های نازک- چه بلوری و چه آمورف- مورد استفاده قرار گیرند.نانوذرات سرامیکی نیز می‌توانند، مانند نانوذرات فلزی، در دماهای کمتر از دمای همتاهای غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده‌ای تبدیل شوند و هزینة ساخت را کاهش دهند. سیم‌های ابررسانا از نانوذرات سرامیکی ساخته می‌شوند؛ چون در حالی که مواد سرامیکی متعارف بسیار شکننده هستند، مواد سرامیکی نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes ای نسبتاً انعطاف‌پذیرند. یک زمینة بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکش‌های نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می گیرد. مثلاً نیروی دریایی آمریکا هم اکنون از سرامیک‌های نانوبلورین استفاده می کند.اگر چه نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی، فلزی و سیلیکاتی با کاربردهای کنونی و پیش‌بینی شده بخش اعظم نانوذرات را تشکیل می‌دهند، اما نانوذرات بسیار دیگری نیز وجود دارند. ماده‌ای به نام کیتوسان (Chitosan)، که در حالت دهنده‌های مو و کرم‌های پوست مورد استفاده قرار می‌گیرد، از نانوذرات ساخته شده‌ است. این فرآیند در اواخر سال 2001 ثبت شد. این نانوذرات جذب را افزایش می‌دهند.

يك نانوذره، ذره اي است كه ابعاد آن در حدود 1 تا 100 نانومتر باشد. نانوذرات علاوه‌بر نوع فلزي، عايقها و نيمه هادي‌ها، نانوذرات ترکيبي نظير ساختارهاي هسته‌لايه را نيز در بر مي‌گيرند. همچنين نانوكره‌ها، نانوميله‌ها، و نانوفنجان‌‌ها تنها اشكالي از نانو ذرات در نظر گرفته ميشوند. نانوذرات در اندازه‌هاي پايين نانوخوشه به حساب مي‌آيند. نانوبلور‌ها و نقاط‌كوانتومي نيمه‌هادي نيز زيرمجموعه نانوذرات هستند. چنين نانوذراتي در كاربردهاي بيودارويي به عنوان حامل دارو و عوامل تصوير‌برداري استفاده مي‌شوند.

 

کاربردها

:

گوناگوني مواد نانوذره‌اي به اندازه تنوع كاربرد‌هاي آنها است، زمينه‌هايي كه نانوذرات كاربرد دارند، عبارتند از:

1.مواد كامپوزيت

2.كامپوزيت‌هاي ساختاري

3.كاتاليزور

4.بسته‌بندي

5.روكش‌ها

6.افزودني‌هاي سوخت و مواد منفجره

7.ساينده‌ها

8.کاربرد نانوذرات در باتري‌ها وپيل‌هاي سوختي

9.روان‌كننده‌ها

10.پزشكي و داروسازي

11.دارو رساني

12.محافظت‌كننده‌ها

13.آناليز زيستي و تشخيص پزشكي

14.لوازم آرايشي

　

روش‌هاي ساخت

:

براي توليد نانوذرات روش‌هاي بسيار متنوعي وجود دارد. اين روش‌ها اساساً به سه گروه تقسيم مي‌شوند كه در ذيل به شرح هر يك مي پردازيم

:

1.چگالش از يک بخار:

روش چگالش از يک بخار شامل تبخير يك فلز جامد و سپس چگالش سريع آن براي تشكيل خوشه‌هاي نانومتري است كه به صورت پودر ته‌نشين مي‌شوند. مهمترين مزيت اين روش ميزان كم آلودگي است. در نهايت اندازه ذره با تغيير پارامترهايي نظير دما و محيط گاز و سرعت تبخير كنترل مي‌شود. روش تبخير در خلاء بر روي مايعات روان

(VERL )

و روش سيم انفجاري جزء روش‌هاي چگالش از يک بخار محسوب مي شود

.

 

2.سنتز شيميايي:

استفاده از روش سنتز شيميايي شامل رشد نانوذرات در يك محيط مايع حاوي انواع واكنشگرها است. روش سل ژل نمونه چنين روشي است، در روش‌هاي شيميايي اندازه نهايي ذره را مي‌توان با توقف فرآيند هنگامي كه اندازه مطلوب به دست آمد يا با انتخاب مواد شيميايي تشكيل دهنده ذرات پايدار و توقف رشد در يك اندازه ‌خاص كنترل نمود. اين روش‌ها معمولاً‌ كم هزينه و پر حجم هستند، اما آلودگي حاصل از مواد شيميايي مي‌تواند يك مشكل باشد

.

3.فرآيندهاي حالت جامد:

از روش فرايندهاي جامد (آسياب يا پودر كردن) مي‌توان براي ايجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثير نوع ماده آسياب‌كننده، زمان آسياب و محيط اتمسفري آن قرار مي‌گيرد. از اين روش مي‌توان براي توليد نانوذرات از موادي استفاده نمود كه در دو روش قبلي به آساني توليد نمي‌شوند.

 

تعيين مشخصات

:

تعيين مشخصات نانوذرات براي كنترل سنتز و كاربرد آنها ضروري است. خواص اين تركيبات با استفاده از روش‌‌هاي گوناگوني نظير: ميكروسكوپ‌هاي الكتروني،

AFM

، طيف‌سنجي فوتوالكترون،

Xray

و

FT-IR

و همچنين‌ روش‌هاي تعيين اندازه و سطح ويژه ذرات سنجيده مي‌شود

.

نانوذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي‌شوند، معمول‌ترين آنها نانوذرات سراميكي، فلزي و پليمري و نانوذرات نيمه‌رسانا هستند

.

 

متداولترين نانو ذرات

1.نانوذرات نيمه‌رسانا(نقاط کوانتمي )

2.نانوذرات سراميكي

3.نانو کامپوزيتهاي نانوذره‌اي سراميکي

4.نانو ذرات فلزي

نانوذرات نيمه‌رسانا(نقاط کوانتمي

)

نقطه كوانتومي يك ناحيه از بلور نيمه‌رسانا است كه الكترونها، حفرها يا هر دو آنها (كه اگزيستون خوانده مي‌شود) را درسه بعد در برمي‌گيرد. اين ناحيه از چندنانومتر تا چندصدنانومتر را شامل مي‌شود. در نقاط كوانتومي الكترونها درست مثل وضعيت يك اتم موقعيت‌هاي گسسته‌اي از انرژي را اشغال‌ مي‌كنند. به همين علت به آنها لفظ اتمهاي مصنوعي نيز اطلاق مي‌شود. در مقايسه با سيم كوانتمي که در دو بعد و لايه‌هاي كوانتومي در يک بعد نانو هستنند نقاط كوانتومي نانوساختارهاي سه بعدي هستند. همچنين اين ترکيبات به دليل بازده كوانتومي بالا در مصارف اپتيكي كاربرد زيادي دارند

.

 

کاربردها

:

نقاط كوانتومي نيمه‌هادي با تحريك الكتريكي يا توسط گستره وسيعي از طول موج‌ها در فركانس‌هاي كاملاً مشخصي به فلورسانس مي‌پردازند، ‌به اين شكل كه فركانسي از نور را جذب كرده و در فركانسي مشخص- كه تابع اندازه آنهاست- به نشر نور مي‌پردازند. اين ذرات همچنين مي‌توانند بر حسب ولتاژ اعمال‌شده، به انعكاس، انكسار يا جذب نور بپردازند. اين ويژگي كاربردهايي در مواد فتوكروميك و الكتروكروميك (موادي كه به ترتيب بر اثر اعمال نور يا الكتريسيته تغيير رنگ مي‌دهند) و پيل‌هاي خورشيدي خواهد داشت.

علاوه بر اين، از اسپين يك الكترون در يك نقطه كوانتومي مي‌توان براي نمايش يك بيت كوانتومي- يا كيوبيت- در يك رايانه كوانتومي استفاده كرد.

كاربردهاي بالقوه براي نقاط كوانتومي عبارتند از: ليزرهاي داراي طول موج‌هاي بسيار دقيق

كامپيوترهاي كوانتومي

نشانگرهاي زيستي

روش‌هاي ساخت

:

سه روش عمده براي ساخت نقاط كوانتومي وجود دارد، که يكي از روش‌ها شامل رشد نقاط كوانتومي در ظرف واکنش است.

در دو روش ديگر، نقاط كوانتومي را در روي سطح يك بلور نيمه‌هادي يا در نزديك آن پديد مي‌آوردند. در روش دوم از فرآيند ليتوگرافي براي خلق يك نانوساختار دوبعدي (ساختاري که در دو بعد نانو باشد) استفاده مي‌شد، سپس براي جداسازي نقاط كوانتومي روي نانوساختارهاي مذکور حكاكي صورت مي‌گيرد.

در روش سوم، با رسوب‌دهي يك ماده نيمه‌رساناي داراي ثابت شبكه بزرگتر (ثابت شبكه معرف فواصل اتمها در يك ساختار بلورين منظم است) روي يك نيمه‌هادي با ثابت شبكه كوچكتر (روش موسوم به رشد همبافته تحت كرنش ) نقاط «خودآراشده» رشد داده مي‌شوند.

 

نانوذرات سراميکي

معمول‌ترين نانوذرات، نانوذرات سراميكي هستند كه به سراميك‌هاي اكسيد فلزي، نظير اكسيد‌هاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن و نانوذرات سيليكاتي (سيليكات‌ها يا اكسيد‌هاي سيليكون نيز سراميك هستند)، که عموماً به شكل ذرات نانومقياسي خاك رس، تقسيم مي‌شود. طبق تعريف حداقل بايد يكي از ابعاد نانوذرات كمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سراميكي فلزي يا اكسيد فلزي تمايل به داشتن اندازه يكساني در هر سه بعد، از دو يا سه نانومتر تا 100 نانومتر دارند که به وسيله نيروهاي الكترواستاتيك به يكديگر چسبيده و به شكل پودر بسيار ريزي رسوب مي‌كنند. نانوذرات سيليكاتي ذراتي با ضخامت تقريباً 1 نانومتر و پهناي 100 تا 1000 نانومتر هستند. معمول‌ترين نوع خاك رس که نانوذرات سيليكاتي هستند مونت‌موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه‌اي مي‌باشد

کاربردها

:

وقتي اندازه نانوذرات كاهش مي‌يابد، نسبت سطح مؤثر به حجم ذرات افزايش يافته، اثرات سطحي قوي‌تر ‌شده و خواص کاتاليستي افزايش مي‌يابد. به همين دليل نانوذرات به عنوان کاتاليزور در زمينه‌هايي نظير باتري‌ها، پيل‌هاي سوختي و انواع فرآيند‌هاي صنعتي قابل استفاده هستند. بيشتر بودن سهم اتم‌ها در سطح نانوذرات نيز خواص فيزيكي آنها را تغيير مي‌دهد مثلا سراميك‌هايي كه به طور عادي شكننده‌اند، نرم‌تر مي‌شوند

.

سرانجام اين كه افزايش سطح مؤثر حلاليت را افزايش مي‌دهد، براي مثال قدرت تركيبات ضد باكتري را بهبود مي‌بخشد

.

اصلاح شيميايي سطح نانوذرات تاثير زيادي در کارايي و کاربرد آنها دارد. ايجاد خواص آبدوستي وآبگريزي جزء روش‌‌هاي اصلاح شيميايي نانوذرات محسوب مي‌شوند. براي نمونه، نانوذرات سيليكاتي براي به دست آوردن خاصيت آب گريزي بيشتر، بايد به صورت شيميايي اصلاح شوند، مثلاً مي‌توان با استفاده از يون‌هاي آمونيوم يا مولكول‌هاي بزرگتري نظير سيلسزكيوكسان‌هاي اليگومريك چند وجهي

(POSS )

، كه هم براي روكش‌دهي نانوذرات سيليكات و هم به عنوان پركننده مناسب هستند، اين اصلاح شيميايي را انجام داد

.

مونت‌موريلونيت يا آلومينو سيليكات لايه‌اي با پليمريزاسيون يا به وسيله آميزش ذوبي (اختلاط با يك پلاستيك مذاب) با پليمرها تركيب شوند و خواص جالب‌توجهي را حاصل مي‌آورند

.

روش‌هاي ساخت:

نانوذرات سراميکي از روشهاي سنتز شيميايي و فرآيندهاي حالت جامد بدست ميآيند

.

نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي سراميکي

نانوکامپوزيت‌هاي نانوخوشه‌‌اي اکسيد آهن در پليمرهاي مختلف

نانوکامپوزيت نانوذره‌اي سراميکي ترکيبي است که در آن نانوذرات سراميکي در داخل يک زمينه پليمري توزيع شده اند

.

خواص وکاربردها

:

استفاده از نانوذرات در مواد كامپوزيتي مي‌تواند استحكام آنها را افزايش و يا وزن آنها را كاهش دهد، ‌مقاومت شيميايي و حرارتي آنها را زياد کند، خصوصيات جديدي نظير هدايت الكتريكي را به آنها بيفزايد و فعل و انفعال آنها با نور يا ديگر تشعشعات را تغيير دهد. يكي از خواص كامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي سراميکي در صنعت بسته‌بندي، كاهش نفوذپذيري گازها است. اين خاصيت ناشي از شكل دانه‌اي نانوذرات است كه مولكول‌ها را وادار به جابجايي در طول و پيچ و خم‌هاي ماده مي‌نمايند. پركننده‌هاي سيليكات دانه‌اي نيز مي‌توانند خاصيت يك پليمر را از سخت شدن صرفاً در يك جهت به دو جهت تغيير دهند

.

هنگامي كه نانوذرات سيليكاتي(خاك‌رس) به عنوان پركننده در پلاستيك‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند، با پراكنده‌سازي تنش‌ها استحكام فوق‌العاده‌اي را به وجود مي‌آورند، ‌آب‌رفتگي، تاب برداشتگي (در كامپوزيت‌هايي كه ضريب انبساط حرارتي كمتري دارند) و نفوذپذيري گازها كاهش مي‌يابد، مقاومت در برابر آتش و مواد شيميايي افزايش ‌يافته، بازيافت اين مواد آسانتر مي‌شود. پركننده‌هاي خاك‌رس با مقدار پركننده‌كمتري نسبت به پركننده‌هاي معمولي، استحكام را افزايش مي‌‌دهد. مثلاً با افزايش 5 درصداز پركننده‌هاي نانورُس به كامپوزيت‌ها همان نتيجه‌اي حاصل مي‌شود، كه با افزايش 20 درصد از پركننده‌هايي همچون الياف شيشه‌اي به دست مي‌آيد. همچنين ميزان پركننده را مي‌توان بدون تغيير در خاصيت چكش‌خواري محصول به 10 درصد افزايش داد، كه اين امر با پركننده‌هاي متعارف ممكن نيست

.

نانوذرات فلزي

:

 

نانوذرات آهن ساخته شده به روش چگالش گاز

طبق تعريف عمومي نانوذرات فلزي، ذراتي به ابعاد 1 تا 100 نانومتر هستند

.

روش ساخت:

نانوذرات فلزي با استفاده از روش‌هاي چگالش بخار و سيم انفجاري بدست ميآيند

 

خواص و کاربرد

:

اين نانوذرات مي‌توانند بدون اينكه ذوب شوند ( تحت نام پخت) در دماهاي پائين‌تر از دماي ذوب فلز، در يك جامد آميخته شوند، اين كار منجر به سهل‌تر شدن فرآيند توليد روكش‌ها و بهبود كيفيت آنها، خصوصاً در كاربردهاي الكترونيكي نظير خازن‌ها مي‌گردد. همچنين نانوذرات فلزي، در دماهاي كمتر از دماي همتاهاي غير نانومقياسي خود به سطوح و مواد توده‌اي تبديل مي‌شوند و هزينه ساخت را كاهش مي‌دهند

.

نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي

نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي از آميخته شدن نانوذرات فلزي (باتوجه به خواصشان) با پليمر بدست مي‌آيند

 

نانوکامپوزيت‌هاي نانوخوشه‌‌اي اکسيد آهن در پليمرهاي مختلف

خواص و کاربرد

:

اين نانوکامپوزيت‌ها، به دليل ممانعت خوبي که در مقابل تداخل الکترومغناطيسي به وجود مي‌آورند، مي‌توانند در رايانه و تجهيزات الکترونيکي به کار روند

.

نانوکامپوزيتهاي نانوذره‌اي فلزي قابليت‌هاي ويژه‌اي در هدايت گرمايي والکتريکي دارند که کارايي آن‌ها را افزايش مي‌دهد

.

[mani24 29665]

نانوپودرها از مهم‌ترین محصولات فناوری‌نانو با کاربردهای گسترده در صنایع مختلف هستند. از جمله این کاربردها می‌توان به تولید مواد منفجره با پتانسیل بالاتر، رنگ‌ها و روکش‌ها، پلیمرها و بیوپلیمرها، واسطه‌های شیمیایی، چسب‌ها، نانوکامپوزیت‌ها، ساینده‌ها، ابرساناها و غیره اشاره کرد. با توجه به اینکه کاربردهای زیادی برای نانوپودرها در زمینه‌های مختلف وجود دارد، لذا توجه فراوانی روی روش‌های تولید نانوپودرها تمرکز یافته است.

روش‌های رایج برای کاهش اندازه ذرات شامل آسیاب‌کاری، خشک کردن پاششی و تبخیر حلال است؛ هرکدام از این روش‌ها دارای معایبی نظیر تغییر کیفیت به علت اثرات حرارتی یا شیمیایی، توزیع گسترده اندازه ذرات، مصرف زیاد حلال، و مشکلات زدودن حلال می‌باشند. برای مثال فرایند خشک کردن پاششی می‌تواند از لحاظ حرارتی موجب تخریب ترکیبات شود، یا در فرایند آسیاب‌کاری، توزیع گسترده ای از اندازه پودرها حاصل شود و در روش‌های تبخیر حلال/ امولسیون، زدودن حلال‌های باقی‌مانده مشکل باشد. بنابراین ترکیبات خاص مثل مواد منفجره، واسطه‌های شیمیایی، پیگمنت‌ها و رنگ‌ها به دلیل حساس بودن نمی‌توانند در چنین فرایندهایی به کار روند.

اخیراً سیال‌های فوق بحرانی (SCF) یا گازهای فشرده به عنوان یک محیط مناسب برای انجام فرایند تبلور و تولید نانوپودرها پیشنهاد شده‌اند. یک سیال فوق بحرانی ترکیبی است که در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی خود قرار دارد. به عنوان مثال سیال فوق بحرانی مورد استفاده می‌تواند کربن دی‌اکسید باشد که علاوه بر ارزان بودن، اثر آلوده‌کنندگی نیز ندارد و پارامترهای بحرانی آن ( PC= 73. 9 bar , TC= 31. 1˚C) در یک دستگاه صنعتی به سادگی قابل حصول است. استفاده از سیال فوق بحرانی، کنترل دقیق فرایند تبلور و توانایی تولید ذرات بسیار‌ ریز و یکسان (از نظر اندازه) با مورفولوژی‌های مناسب را فراهم می‌آورد. همچنین وجود خواصی نظیر نفوذ شبه گازی آن و امکان حذف کامل آن در انتهای فرایند، باعث جلب توجه زیاد به سمت آن شده است. به طورکلی این سیال‌ها در تکنولوژی‌های تولید نانوپودرها، در سه حالت جسم حل‌شونده، و آنتی‌حلال و کمک حلال مصرف می‌شوند. جدول (1) مقایسه بین روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی و سایر روش‌های موجود را برای تولید نانو و میکروذرات، از نظر اندازه نشان می‌دهد.

روش‌های تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی

a) انبساط سریع سیال فوق بحرانی (RESS)

جدول1. مقایسه اندازه ذرات حاصل از روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی و سایر روش‌های تولید نانو و میکروذرات

تکنیک اندازه ذره (میکرومتر)

500-1000 150- 500 50-150 10-50

Cutting mills Yes Yes No No No No

Crusher Yes No No No No No

Universal and pin mills Yes Yes Yes Yes No No

Hammer mill Yes Yes Yes Yes No No

Mechanical mills with internal classifier No Yes Yes Yes No No

High-compression roller mills and table roller mills No No No Yes Yes No

Jet mills No No No Yes Yes No

Dry-media mills No No No Yes Yes No

Wet-media mills No No No No Yes Yes

Recrystallization from solutions Yes Yes Yes Yes Yes Yes

Spray drying -- -- -- -- Yes Yes

Supercritical fluid Yes Yes Yes Yes Yes Yes

انبساط سریع سیالات فوق بحرانی (RESS) یک تکنیک کریستالیزاسیون است که از خواص یک سیال فوق بحرانی مثل CO2 به عنوان یک حلال برای تسهیل تولید نانوپودر استفاده می‌کند.

مطابق شکل (1) ،

فرایند RESS از طریق وارد کردن CO2 مایع با دما و فشار بالا به منظور دستیابی به سیال فوق بحرانی آغاز می‌شود. سیال فوق‌ بحرانی سپس در اتوکلاو با حل ‌شونده مخلوط می‌شود. در این سیستم، سرعت جریان تا زمانی مهم است که تعادل ترمودینامیکی برقرار نباشد. مرحله بعدی مستلزم کاهش فشار مخلوط از فشار بالا به فشار اتمسفری به وسیله نازل است. این کاهش سریع فشار موجب هسته‌زایی (به وسیله کاهش قدرت انحلال حلال) می‌شود. زمانی که CO2 گازی در شرایط محیط قرار می‌گیرد، مواد حل‌شونده رسوب می‌کنند و در یک مخزن جمع می‌شوند. سپسCO2 از طریق یک دریچه به بیرون از محفظه منتقل، و نهایتاً تصفیه و بازیافت می‌شود. مورفولوژی نانوپودرها و کریستال‌ها هر دو به ساختار ماده و پارامترهای حاکم بر فرایندRESS (دما، افت فشار، هندسه نازل و. . ) وابسته است. از جمله مطالعات انجام شده می‌توان به تولید ریز ذرات پلیمری نظیر پلی‌کاپرولاکتون و پلی‌متیل متاکریلات توسط Lele و Shine، تولید نانوذرات CdS (سولفید کادمیم) توسط Sun، تولید نانوپودرهای سرامیکی از جمله آلومینا و سیلیس اشاره نمود.

فرایند RESS دارای مزایای متعددی است. هرچند این فرایند در فشارهای بالا اتفاق می‌افتد اما دمای مورد نیاز نسبتاً پایین است. مزیت دیگر این فرایند نبود خطرات محیطی است. البته بزرگ‌ترین مزیت آن قابلیت ساخت ذرات بسیارکوچک در مقیاس میکرو و نانو با توزیع اندازه ذرات مناسب و عاری از حلال است. از معایب اصلی فرایند می‌توان به نسبت بالای گاز/ماده به واسطه حلالیت پایین ماده، نیاز به فشار بالا و مشکل جدایش ذرات زیرمیکرون از حجم بزرگی از گاز در مقیاس صنعتی اشاره کرد

b) فرایند آنتی‌حلال فوق بحرانی (SAS)

 

فرایند آنتی‌ حلال فوق بحرانی از سیستم‌های دوتایی حلال/ آنتی‌حلال برای تولید میکروپودرها و نانوپودرها استفاده می‌کند. در این روش، سیال فوق بحرانی (به طور مثال CO2) به عنوان یک آنتی حلال عمل کرده، باعث متبلور شدن جسم حل‌شونده می‌شود. دو تکنیک اساسی برای این فرایند وجود دارد که در ذیل شرح می‌شوند.

 

 

1.عملیات ناپیوسته

در این تکنیک یک سیال فوق بحرانی، به عنوان آنتی حلال سبب ترسیب جامدات می‌شود. جامدات ابتدا در یک مایع حل می‌شوند و یک سیال برای ترسیب ذرات جامد افزوده می‌شود. افزایش سریع سیال، موجب کاهش ناگهانی دانسیته مایع و انبساط حجمی آن شده، باعث می‌شود که مخلوط مایع به حالت فوق اشباع برسد و ماده حل‌شونده به صورت ذرات میکرو یا نانومتری رسوب کند .

 

مزیت این تکنیک کنترل اندازه ذرات از طریق سرعت تزریق آنتی حلال، غلظت اولیه مواد در محلول، و دما است. در فرایند ناپیوسته، پروفیل انبساط حجمی مایع تابعی از دما، پروفیل فشار، نوع حلال و آنتی حلال، و قدرت همزن است.

 

2.عملیات نیمه پیوسته یا پیوسته

 

به طور کامل در تکنیک‌های آنتی حلال ناپیوسته، به دلیل حذف شدن فاز مایع تکنیک‌ آنتی حلال پیوسته توسعه داده شده است. در تکنیک‌های آنتی‌ حلال پیوسته مثلاً سیستم‌های استخراج حلال آئروسل (ASES) ، فازهای مایع و فوق بحرانی به طور پیوسته به داخل یک محفظه وارد می‌شوند. قطرات مایع خیلی کوچک، در ابعاد زیر میلی‌متر، با یک مقدار مازاد از سیال فوق بحرانی برخورد می‌کنند.

شکل (3) فرایند آنتی‌حلال پیوسته را نشان می‌دهد. برای تولید قطرات مایع کوچک در نازل، محلول مایع در فشار bar 20 بیشتر از فشار کاری محفظه تبلور پمپ می‌شود. محدوده اندازه ذرات تولید شده از 0. 1 تا 250 میکرون قابل تغییر است. در فرایند آنتی‌ حلال پیوسته، اثر متغیرهای دما، فشار، غلظت محلول تزریقی، طبیعت حلال‌های مایع و سیال فوق بحرانی بر خواص فیزیکی محصول، بررسی و بهینه می‌شود

.

 

 

 

از فرایند SAS برای تولید ترکیبات منفجره، کاتالیست‌ها، ابررساناها، پلیمرها، نانواسفرها یا میکرواسفرها، میکروفیبرهای با قطرهای 0.01 µm بیشتر و برخی ترکیبات دارویی استفاده می‌شود. در سال 1988 Schmid توانست ذرات تریامسینولون با قطر 5-10 µm را با استفاده از حلال THF تولید کند . در سال 1992، Krukonis و همکارانش توانستند از فرایند SAS برای تبلور و جداسازی دو ماده منفجره RDX و HMX استفاده کنند .

 

تولید ذره از طریق فرایند محلول اشباع گازی(PGSS)

 

در تولید ذره از طریق فرایند محلول اشباع گازی، از یک سیال فوق بحرانی، به عنوان یک جسم حل‌شونده برای ایجاد تبلور در یک محلول استفاده می‌شود. فرایند PGSS برای ساخت نانوذراتِ با توانایی کنترل توزیع اندازه ذرات به کار برده می‌شود. نیروی محرکه فرایند PGSS، افت ناگهانی دمای محلول تا زیر نقطه ذوب حلال است. با این عمل، محلول از فشار کاری به شرایط اتمسفری تغییر وضعیت می‌دهد، که در نتیجه آن می‌توان اثر ژول ـ تامسون را مشاهده کرد. سرمایش سریع محلول موجب تبلور جسم محلول شده، هسته‌زایی هموژن برای تشکیل ذرات به وجود می‌آید. فرایند PGSS یک فرایند دو مرحله‌ای است در این فرایند، محلولی از ذوب کردن محصول مورد نظر، تحت اثر سیال فوق بحرانی ایجاد می‌شود. این شرایط موجب افزایش حلالیت SCF در محلول مایع حاصل می‌شود، به طوری که یک محلول اشباع گازی به دست می‌آید. در این مرحله محلول به تعادل و یکنواختی می‌رسد و سپس تا شرایط اتمسفر منبسط می‌شود. یک ***** در محفظه انبساط، پودرهای تولید شده را جمع‌آوری می‌کند. محصول به دلیل عاری بودن از حلال نیاز به شست‌وشو ندارد و می‌توان SCF را در صورت نیاز برگشت داد.

Rodrigues و همکاران اثرات چشمگیر تغییرات فشار بر روی مورفولوژی ذرات را نشان داده‌اند. در فشارهای بالاتر، 16-18 Mpa مورفولوژی ذرات حاصل به صورت کروی خواهد بود. وقتی فشار به 12-14 Mpa افت می‌کند، مورفولوژی به طور چشمگیری تغییر می‌کند. ذرات حاصل پهن‌تر هستند و برجستگی‌های سطح آنها گسترش می‌یابد. این برجستگی‌ها میخی شکل هستند و در نتیجه افت‌ فشار، تمایل به بزرگ‌تر شدن دارند.

 

شکل6. شماتیک فرایند DELOS

شکل 6 فرایند سه مرحله‌ای ساده DELOS نشان می‌دهد. مرحله اول عبارت از انحلال ماده حل‌شونده در داخل حلال آلی است. انجام این مرحله در درون یک محفظه مقاوم به فشار صورت می‌گیرد. این محفظه برای به دست آوردن دمای عملیاتی مورد نیاز گرم می‌شود. وقتی مرحله اول کامل شد، سیال فوق بحرانی پیش‌گرم شده داخل حلال حل می‌شود تا فشار عملیاتی مورد نیاز حاصل شود. در این حال زمان کافی برای محلول سه جزئی فراهم می‌شود تا به تعادل و دمای کار برسد. بعد از رسیدن به تعادل، محلول در فشار اتمسفری منبسط می‌شود. نیتروژن خالص در داخل محفظه محلول پمپ می‌شود تا فشار عملیاتی را در مدت انبساط حفظ کند. یک ***** در بالای محفظه انبساط قرار می‌گیرد تا پودرهای حل‌شده را جمع ‌کند. پودرهای حاصل می‌توانند با استفاده از سیال فوق بحرانی خالص شست‌وشو شوند و حلال‌های مورد استفاده در این فرایند نیز به آسانی جدا و در صورت نیاز برگشت داده شوند

جدول2. مقایسه انواع فرایندهای تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی

DELOS PGSS SAS RESS

کمک حلال حل شونده آنتی حلال حلال نقش سیال فوق بحرانی

دما دما حلالیت فشار نیروی محرکه

- پایین متوسط بالا فشار گاز مصرفی

بالا پایین- متوسط پایین- متوسط بالا فشار

بلی خیر بلی خیر حلال

آسان آسان آسان مشکل جدایش جامد/گاز

مشکل خیر مشکل خیر جدایش حلال/گاز

3 مرحله 2 مرحله 3 مرحله 2 مرحله مدت فرایند

میکرو و نانو میکرو و نانو میکرو و نانو میکرو و نانو اندازه ذره

بلی بلی بلی بلی انکپسولاسیون

 

زمانی که فرایند تبلور از طریق DELOS به یک افت دمای بزرگ وابسته است، بازده روش می‌تواند از طریق افزایش مقداری از سیال فوق بحرانی مورد استفاده، زیاد شود. با وجود این، مشکل محدودیت در مقدار مورد استفاده از سیال فوق بحرانی وجود دارد. اگر این محدودیت بروز کند، فرایند DELOS امکان‌ناپذیر خواهد بود و در عوض تبلور از طریق فرایند SAS اتفاق می‌افتد. وقتی غلظت سیال فوق بحرانی به غلظت محدودکننده می‌رسد، اندازه ذرات و توزیع اندازه ذرات به حداقل می‌رسد. بنابراین کنترل اندازه ذرات از طریق کنترل غلظت سیال بحرانی امکان‌پذیر است. از طریق این روش ذراتی در مقیاس نانو، میکرو و ماکرو قابل دست‌یابی خواهند بود.

جدول (2) خلاصه‌ای از انواع فرایندهای تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی و مقایسه آنها را نشان می‌دهد.

 

نتیجه‌گیری

 

شکل5. تصاویر میکروسکوپ الکترونی ذرات کامپوزیتی Theophilline/HPO تشکیل شده توسط فرایند PGSS در a: 18 مگاپاسکال و b: 14 مگاپاسکال

شکل (5) همچنین نشان می‌دهد که کاهش فشار باعث افزایش تجمع و انباشتگی ذرات می‌شود. این اختلاف‌ در مورفولوژی‌ها می‌تواند به واسطه تفاوت در شروع هسته‌زایی باشد. در فشارهای پایین‌تر، هسته‌زایی در فرایند انبساط سریع سیالات فوق بحرانی زودتر شروع می‌شود این امر موجب به وجود آمدن ساختارهایی رشته مانند خواهد شد؛ جهت به دست آوردن ذرات کروی، نیاز به فشارهای بالاتر است. بنابراین هسته‌زایی در فرایند انبساط دیرتر شروع می‌شود. اگرچه تغییر فشار تأثیر

قابل توجهی در مورفولوژی ذرات دارد، اما هیچ اثری روی اندازه یا توزیع اندازه ذرات ندارد.

مزیت مهم فرایند PGSS، نیاز آن به فشار پایین‌ت‌ر در مقایسه با RESS، مصرف پایین‌تر گاز به دلیل نسبت‌های کمتر گاز در مایع، و توانایی تشکیل نانوپودرها بدون نیاز به حلال‌ است که هزینه‌های عملیاتی را در دو حالت کاهش می‌دهد: اولاً اینکه نیاز به حلال‌های شیمیایی گران، کاهش می‌یابد؛ ثانیاً به دلیل به کار نگرفتن حلال‌ها، محصول از خلوص بالایی برخوردار است و نیازی به حذف باقی‌مانده حلال نیست. از دیگر مزایای فرایند PGSS، توانایی تشکیل نانوکامپوزیت‌ها یا ذرات انکپسوله شده است. یکی از عیوب فرایند PGSS، نیاز به یک SCF است که بایستی در داخل یک حلال حل شود. عیب دیگر فرایند PGSS در مشکلات مربوط به حل کردن یک SCF، داخل چندین حلال با حلالیت‌های متفاوت SCF است. این

عیب در هنگام تولید نانوذرات کامپوزیتی یا تولید ذرات انکپسوله شده مهم خواهد بود.

 

4.کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده (DELOS)

برخلاف هر روش دیگر، روش کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده، فرایندی است که برای تشکیل نانوپودرها از یک سیال فوق بحرانی به عنوان کمک حلال استفاده می‌کند. فرایند DELOS برای حل‌شونده‌های آلی در حلال‌های آلی و مخصوصاً برای تولید پلیمرها، رنگ‌ها و ذرات دارویی مفید است. نیروی محرکه این فرایند، افت شدید و سریع دما است. این اتفاق وقتی می‌افتد که محلول فشرده شده از فشار عملیاتی تا فشار اتمسفر منبسط شود. به لیل اینکه سیستم قبل از شروع انبساط برای رسیدن به تعادل تلاش می‌کند، لذا افت فشار و دما در سراسر محلول یکنواخت است. این افت سریع دما به علت کاهش ظرفیت اشباع محلول، باعث تبلور ذرات حل شده می‌شود.

علی رغم نقاط ضعف و قوت نانوذرات اکسید آهن در کاربردهای عملی، SPIO و USPIOها تنها نانوذرات مغناطیسی تأییدشده برای کاربرد‌های پزشکی هستند. محققان در حال بررسی برای یافتن راهی مناسب برای توسعه روشی بهتر در درمان هدایت‌شده مغناطیسی هستند؛ اما ممکن است موانع موجود را نتوان کاملاً حل کرد، به عنوان مثال یکی از راه‌های رفع مشکل ضعف پاسخ مغناطیسی نانوذرات، بیشینه کردن میدان مغناطیسی در نقطه هدف است.

Lbarra garsia و همکارانش، از طریق نشاندن آهن‌رباهای دائمی از صفحات طلا درون اندام مورد نظر کار مشابهی را انجام دادند. این فرایند آنها را به استفاده از این حامل‌های مغناطیسی نانومتری در رساندن عوامل‌های شیمی‌درمانی به تومور‌های درون بدن امیدوار ساخته است. مطالعات اساسی در این زمینه به استفاده از ذرات 20 نانومتری Fe@C و یا 80 نانومتری تا دو میکرومتر Fe2O3- γ / Fe3O4 پوشیده شده از سیلیکا به عنوان عوامل‌های شیمی‌درمانی نظر دارد. نتایج اولیه تحقیقات در بافت‌های بدن موجودات زنده با نانوذرات پوشیده شده با کربن بر روی خرگوش‌های نیوزلندی، نویدبخش آینده روشنی در این زمینه است. آنالیزهای هیستو پاتولوژیکی توانایی رسیدن حامل‌های مغناطیسی به غده‌های درونی کلیه چپ حیوانات مختلف را تأیید می‌کند، این کار به کمک نشاندن یک آهن‌ربا در نزدیکی نقطه مورد نظر انجام می‌گیرد. می‌توان دید که این آهن‌ربا‌ها را پس از خارج شدن از بدن ذرات مغناطیسی پوشانده‌اند، نکته مهم در این زمینه این است که در کلیه راست این حیوانات هیچ ذره‌ای دیده نشده است. (شکل 3)

Garcia Ibarra می‌گوید: "همیشه در آزمایش‌ها مشکلاتی مثل وجود تمرکزی از این نانوذرات در سلول‌های زنده کوپفر کبد، طحال و ریه‌ها هست؛ البته باید توجه داشت که بیشترین محل تمرکز این نانوذرات در جگر است و حا این مسئله به یافتن راهی مناسب برای درمان سرطان است".

مورد دیگر، بهینه‌سازی شکل و قدرت آهن‌ربای خارجی مورد استفاده است که در دانشگاه تگزاس و در مرکز سرطان اندرسون هوستون، با همکاری شرکت NanoBioMagnetics، مورد تحقیق قرار گرفته است. آنها در حال بررسی واکنش‌های مغناطیسی نانوذرات مورد استفاده در درمان سرطان پیشرفته تخمدان - مرحله سه یا چهار که سلولهای بدخیم به صفاق راه پیدا کرده‌اند- و کنترل عملکرد عوامل‌های شیمی‌درمانی به کمک نانوذرات مغناطیسی دارای پوشش سیلیکا تحت اعمال مستقیم یک آهن‌ربای خارجی (میدان مغناطیسی)، هستند. از فواید پیش‌بینی شده این کار، کم بودن میزان آسیب‌رسانی این نوع دارو‌رسانی هدفمند نسبت به داروهای آزاد است. آزمایش‌های اولیه انجام شده بر روی موش با استفاده از آهن‌ربا‌های استوانه ایG 56 و 22 نانومتر، رسیدن ذرات به داخل حفره‌های مورد نظر را تأیید می‌کنند. مطالعات بعدی در این زمینه نشان داده‌ است که نانوذرات مغناطیسی می‌توانند به سمت غده‌های مورد نظر در فضای پرتونئال (pertoneal) هدایت شوند و برخی از آنها اطراف دیواره‌های شکمی جمع می‌شوند. این اثر ناخواسته را می‌توان با تغییر شکل آهن‌ربای استوانه‌ای به هرمی با عرض سه میلی‌متر و قرار دادن آن روی محل غده کاهش داد (شکل4) .

Jim Klostergaard، استاد آنکولوژی مولکولی سلولی درMD Anderson وسرپرست این مطالعات، می‌گوید: ظاهراً اهمیت در طراحی و انتخاب وسیله انتقال بیماری است. در مواردی که هر دو عامل فوق موفقیت‌آمیز نبوده‌اند، احتمال پیشرفت از مقیاس آزمایشگاهی به کاربردهای کلینیکی نظریه بسیار ضعیف به نظر می‌رسد".

طبق گفته‌های کریستین پلانک (Christian Plank) از انستیتو آزمایشگاهی آنکولوژی، دانشگاه فنی مونیخ آلمان، بهینه‌سازی طراحی آهن‌ربا، تنها راه حفظ خاصیت آهن‌ربایی نیست. وی در حال بررسی این موضوع است که میکروحباب‌های پرشده از گاز هم می‌توانند به افزایش پاسخ‌دهی مغناطیسی عوامل‌های دارورسانی مبتنی بر SPID کمک کنند. در اینجا نظر باید گفت که ذرات می‌توانند با هم و بدون انبوه‌شدن یا مسدود کردن رگ‌های خونی در یک نقطه خاص متمرکز شوند. عملاً آنها معتقدند که قطر متغیر میکروحباب‌ها (از دو تا پنج میکرون) می‌تواند در استفاده از آنها تأثیر مثبتی داشته باشد. امروه به منظور بهبود تصاویر اولتراسونیک از میکروحباب‌ها در علوم پزشکی استفاده می‌شوند. رزونانس آنها با امواج اولتراسونیکی می‌تواند تصویر محلی که این حباب‌ها در آن قرار دارند را بهبود دهد. در عین حال آزمایش‌های مختلفی برای بررسی قدرت و توانایی میکروحباب‌ها به عنوان عامل دارورسانی در نقاط مختلف بدن مورد ارزیابی قرار گرفته است. به گفته پلانک، بررسی پاسخ‌دهی مغناطیسی میکروحباب‌ها در دارورسانی کاملاً جدید است. دانشمندان و محققان آلمانی در حال استفاده از نانوذرات200 تا صد نانومتری حاوی مقدار زیادی Fe3O4 هستند؛ این ذرات وارد پوسته‌های لیپیدی از حباب‌های پرشده با C3F8 و یک عامل دارویی می‌شوند (شکل 5) .

پلانک می‌گوید: "شما نیاز به نانوذراتی با تولید سفارشی دارید که با دیگر اجزای حباب‌ها سازگار باشند. برخی از نانوذرات مغناطیسی مورد استفاده می‌کنیم با مواد شوینده پوشیده شده، می‌توانند با پوسته‌های لیپیدی حباب‌ها شوند. "

به عقیده او آزمایش‌ها حاکی از آن است که ثبات مغناطیسی حباب‌ها بسیار بیشتر از ثبات مغناطیسی دوز مشابه از نانوذرات مغناطیسی آزاد است.

تست‌های عملی نیز نشان داده‌اند که پالس‌های اولتراسونیکل 1MHz می‌توانند حباب‌ها را ترکانده، باعث آزاد شدن مولکول‌های دارویی یا مواد ژنتیکی درون آنها شود. برای پی‌بردن به این نکته که ساختار عامل درمانی در اثر اعمال اولتراسونیک برای انتقال دارو، ثابت می‌ماند یا خیر، مطالعات بیشتری بر روی حیوانات لازم است.

پلانک می‌گوید: " نگهداری 100 درصد کامل در سایت‌های هدف ممکن نخواهد بود. هدف ما این است که با داشتن یک سیستم حامل بتوانیم عوامل‌های فعال را دقیقاً به فرم ساختاری آنها در نقطه مورد نظر و در جایی که هم میدان مغناطیسی و هم اولتراسونیک اعمال می‌شود، انتقال ‌دهیم. این مورد ممکن است در انتقال اسیدهای نوکلئوئیک امکان‌پذیر باشد. "

محققان دانشگاه شیکاگو و لابراتوار ملی آرگونا (Argona)، ایلینویز نیز به رهاسازی دارو به روش هدف‌یابی مغناطیسی با استفاده از اولتراسونیک علاقه‌مند هستند؛ اما نگرش آنها با آنچه پلانک و همکارانش انجام داده‌اند، متفاوت است؛ آنها برای آب‌گریز کردن نانوذرات مغناطیسی، آن را با اسیداولئیک پوشش می‌دهند، سپس آنها را به همراه یک عامل درمانی در یک ماتریس پلیمری قرار می‌دهند.

اکسل روزنگارت، استاد جراحی اعصاب دانشگاه شیکاگو، می‌گوید: "ما هم اکنون قادر به ترکیب مقدار زیادی مگنتیت با حامل‌هایی هستیم که مقدار مغناطیده شده آنها از تمام حامل‌های گزارش شده بیشتر است؛ به این معنا که حامل راحت‌تر به سمت هدف مورد نظر حتی بر خلاف جریان خون حرکت می‌کند. "

همانند قبل، استفاده از اولتراسونیک با شدت خاصی که دانه‌های پلیمری را تشدید کند، منجربه شکسته شدن آنها و آزادسازی عوامل‌های درمانی می‌گردد. روزنگارت و همکارانش می‌خواهند از دانه‌های مغناطیسی برای رساندن عامل حل‌کننده لخته‌های خونی "clot-busting" rt-PA، به محل سکته یا حمله درد در بیماری‌های قلبی، استفاده کنند. او توضیح می‌دهد: "تخلخل لخته‌های خونی به خصوص در معرض امواج اولترسونیکی افزایش می‌یابد که این خود سرعت بررسی افزایش می‌دهد؛ بنابراین استفاده از دارورسانی اولتراسونیک بدون انحراف، هداف دارورسانی rt-PA را در آینده افزایش دهد.

یک دوره مطالعه شش‌ماهه بر روی نمونه‌های موش صحرایی به‌منظور عملی شدن طرح تشخیص در نظر گرفته شده است. روزنگارت می‌گوید: " ما از سه سال گذشته بر روی ساخت حامل‌های مغناطیسی تمرکز کرده، فکر می‌کنیم در پیشرفت و ساخت یک نمونه که به خوبی در محیط بدن عمل خواهد کرد، موفق شده‌ایم. همچنین تحقیقات برای بهبود پایداری rt-PA که فعالیتش با اثرات گرمایی اولتراسونیک کاهش نمی‌یابد، ادامه خواهد یافت".

آیا این‌ها برای هدف مورد نظر مناسب است؟

اکنون واضح است که نانوذرات مغناطیسی یک‌اندازه و یک ترکیب، برای همه کاربردهای عملی مناسب نیست. به طوری که یک گزینه مناسب برای جلوگیری از گسترش سلول‌های سرطانی متااستاتیک با استفاده از MRI، حتماً یک عامل مناسب برای شیمی درمانی نیست. به گفته Etienne Duguet، استاد انستیتو Bordeux شیمی مواد چگال فرانسه طراحی عوامل‌های مغناطیسی احتیاج به نگرشی مناسب چندبعدی دارد. در این کار سئوالاتی به ذهن می‌رسد؛ اولین سئوال مربوط به ترکیبات هسته است. آیا رفتارهای مغناطیسی آنها مناسب و کافی است ؟ آیا احتمالاً این مواد در دوز تعیین شده سمی هستند؟ یا پوشش وجود دارد؟ برهم‌کنش ذرات پوشش داده شده با سیالات داخل بدن، بیومولکول‌ها و یا سلول‌ها چگونه است؟ آیا مولکول‌های دارویی می‌توانند در جایی که نیاز است بچسبند و رها شوند؟

Urs Hafeli به طراحان پیشنهاد می‌کند که به جای اینکه ابتدا نانوذرات مغناطیسی هوشمند را سنتز کنند و بعد برای آن استفاده‌های عملی را در نظر بگیرند، از کاربرد شروع کرده، مسیر کاری را وارونه طی کنند. هیچ یک از قسمت‌های فرایند دارورسانی نسبت به بخش‌های دیگر آن مهم‌تر نیست. ما نمی‌توانیم همزمان بیشترین خاصیت مغناطیسی ذرات و بهترین ماتریس رهاسازی دارو و ایجاد ذرات کاملاً تک سایز را با هم داشته باشیم. هر دارو و کاربرد‌های مختلف به خاطر نیازمند بودن به هماهنگی با فضای اطراف خود، به خواص شیمی فیزیکی خاصی نیاز دارند؛ ولی باید اشاره کرد که این فضا هنوز کاملاً شناخته شده نیست

.

 

 

شکل1. محققان دانشگاه مینسوتا در حال تولید نانو ذرات FeCo با ابعاد و شکل‌های مختلف هستند و نیم نگاهی به تنظیم بقیه خواص برای کاربردهای دیگر آن دارند. این ذرات حساسیت بیشتری نسبت به SPIOها دارند

 

شکل 2. تصاویر میکروسکپی HRTEM و EFTEM از نانوذرات اکسیدآهن وآهن پوشیده شده با کربن.

(کاری از Ricardo lbarra Garcia از مؤسسه علوم نانوی Aragon، دانشگاه زاراگوزا، اسپانیا

شکل3. (a ) نتایج آنالیزهای هیستوپاتولوژی در کلیه سمت چپ. می‌توان دید که نانوذرات با میدان مغناطیسی آهن ربای کاشته شده همراستا شده‌اند.

(b) در این تصویر می توان دید که در عمل هیچ نانو ذره‌ای در کلیه راست دیده نمی‌شود (در این کلیه آهن ربای دائمی نداریم).

(کاری از Ricardo lbarra Garcia از مؤسسه علوم نانوی Aragon، دانشگاه زاراگوزا،اسپانیا)

 

شکل(4) : تصوير MRI از موشي که سلولهاي غده‌هاي دروني تخمدان(HEY) انسان به صورت درماني به آن تزريق شده است .يک تومور در نزديکي ديواره هاي شکمي قرار گرفته است. علاوه بر اين، نانوذرات پاسخگو به ميدان مغناطيسي نيز به بدن اين موش‌ها تزريق شده است و يک آهن رباي دائمي نيز در دو ساعت ابتدايي MRI نزديک محل تومور قرار گرفته است . در تصوير سمت چپ يک آهن رباي دائمي استوانه‌اي با قطر 22 ميليمتر استفاده شده که در آن محور استوانه در راستاي مرکز تومور است. اما در تصوير سمت راست، آهن رباي استوانه‌اي با يک آهن رباي هرمي جايگزين شده که قطر نوک آن در حدود 3 ميليمتر است و در مرکز تومور قرار گرفته است. اين آهن ربا (هرمي) انتخاب‌پذيري بيشتري را در حرکت نانوذرات در ناحيه توموردر ناحيه ديواره‌هاي شکمي از خود نشان مي‌دهد

(کاري از Jim Klostergaard و Jam Bank در مرکز سرطان MD Anderson وCharles Seeney وWilliam Yuill در NBMI)

شکل 5. ميکرو حباب‌هايي با قطر 10 ميکرون، كه از نانوذراتي با پوشش تركيبات صابوني و DNA فلورسنت پرشده‌اند.

در سمت چپ، تصوير ميکروسکوپ نوري (فلورسنت) و در سمت راست، تصوير ميدان روشن ديده مي‌شود. .رنگ قهوه‌‌اي در اين تصوير، بالا بودن بار نانوذرات مغناطيسي را نشان مي دهد. حباب‌ها همچنين حاوي مخلوطي از ليپيدها و يك معرف کاتيوني هستند.

پيشرفت‌هاي سميت‌زدايي ترکيبات آلي کلرداربا نانوذرات آهن

رشد روزافزون جمعيت کشورها و فعاليت‌هاي صنعتي و کشاورزي از يک سو و رعايت نكردن الزامات زيست‌محيطي از سوي ديگر، سبب شده‌است تا در چند دهة اخير، مقادير زيادي از آلاينده‌ها مانند هيدروکربن‌هاي آلي کلردار به‌واسطة عواملي نظير دفع نامناسب پساب‌ها و ضايعات مراکز صنعتي و شهري، استفادة وسيع از آفت‌کش‌ها، علف‌کش‌ها و. . . ، به منابع آب‌هاي زيرزميني وارد و موجب کاهش کيفيت آب شوند . حلال‌هاي آلي کلردار مثل تتراکلرواتن، تري‌کلرواتن، دي‌کلرواتن و وينيل‌کلرايد از جمله رايج‌ترين آلاينده‌ها هستند. ترکيبات آلي کلردار، که بسيار سمي و غيرقابل تجزية زيستي هستند، جزء شايع‌ترين و متداول‌ترين آلاينده‌هاي آب‌هاي زيرزميني به شمار مي‌روند . ترکيبات آلي کلردار ضمن ايجاد اثرات سمي بر دستگاه اعصاب، خاصيت سرطان‌زايي نيز دارند .

از اواسط سال 1990، پيشرفت‌هاي مهمي در تبديل آلاينده‌هاي آلي کلردار به محصولات بي‌ضرر نظير متان، اتان، با استفاده از فلزات ظرفيت صفر مثل قلع، روي، پالاديوم و آهن صورت گرفت که آهن رايج‌ترين اين فلزات است. در اين فناوري ابتدا از براده‌هاي آهن و سپس از کلوئيدهاي آهن در اندازة ميکروني استفاده شد .

مطالعات وسيع در 15 سال اخير ثابت کرده‌است که آلاينده‌هاي محيط‌زيست مي‌توانند از طريق اکسيداسيون آهن ظرفيت صفر احيا شوند. بازده سميت‌زدايي، قيمت پايين و بي‌خطر بودن آهن، باعث توسعة يک روش نوين در احياي آلايندهاي محيط زيست به ويژه در آب‌هاي زيرزميني شده‌است .

عموماً واکنش بين ترکيبات آلي کلردار (CxHyClz) و آهن در محلول آبي به‌صورت زير بيان مي‌شود.

 

که در آن آهن به عنوان عامل کاهنده در حذف کلر رفتار مي‌کند. اين واکنش مشابه فرايند خوردگي آهن است که در تغيير شکل آلاينده‌هاي کلردار مفيد است .

 

شکل (1) تصوير TEM نانوذرات آهن

 

فناوری استفاده از نانوذرات آهن در احیای آلاینده‌های کلردار حرکت جدیدی است که نسبت به روش‌های قبلی بسیار اقتصادی‌تر و کارامدتر است. زمانی که اندازة ذرات آهن به مقیاس نانو کاهش می‌یابد تعداد اتم‌هایی که می‌توانند در واکنش درگیر شوند افزایش، و در نتیجه سرعت واکنش‌پذیری بیشتر می‌شود. این امر موجب می‌شود که نانوذرات آهن قدرت انتخاب‌پذیری بیشتری نسبت به براده‌های آهن داشته باشند.

اگر چه استفاده از نانوذرات آهن به جای میکرو و یا براده‌های آهن در احیای آلاینده‌ها بسیار مؤثر بود و حتی در این فناوری موفق به احیای پرکلرات‌ها شدند که با روش‌های قبلی امکان‌پذیر نبود، ولی مشاهده شده‌است که در بعضی موارد، محصولات واکنش به مراتب سمی‌تر از ماده اولیه هستند. به عنوان مثال از احیای تری‌کلرواتیلن می‌تواند وینیل‌کلراید تشکیل شود که بسیار سمی است .

درمسیر توسعة فناوری‌نانوذرات آهن در اصلاح آب و خاک، گروه ژنگ (zhang) نانوذرات دوفلزی آهن- پالادیوم را در سال 1996 سنتز کردند. پس از آن در روش‌های مشابهی از فلزات کاتالیزوری دیگر مثل پلاتین، نقره، نیکل، کبالت و مس برای تهیه نانوذرات دو فلزی با آهن استفاده شد. بررسی نانوذرات دوفلزی نشان می‌دهد که سرعت و بازده سمیت‌زدایی این ذرات بیشتر از آهن است. حضور یک عامل کاتالیزوری باعث می‌شود که سرعت واکنش هالوژن‌زدایی بیشتر و از تشکیل محصولات جانبی سمی جلوگیری شود.

 

روش آزمايشگاهي

سنتز نانوذرات آهن از ابتکاراتي است که اولين بار در سال 1996 توسط ژنگ انجام شد. در اين روش، آهن فريک به‌وسيله بوروهيدرايد سديم طبق احيا مي‌شود .

براي تهيه نانوذرات دوفلزي آهن- پالاديوم، نانوذرات آهن تازه‌تهيه‌شده به محلولي از اتانول و استات پالاديوم اضافه مي‌شوند. اين امر منجر به ته‌نشيني پالاديوم بر سطح آهن مي‌شود.

 

در اين روش از آهن به عنوان فلز پايه و از از پالاديوم به عنوان فلز کاتاليزگر استفاده مي‌شود. تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري نانوذرات آهني که به اين روش سنتز شدند، نشان مي‌دهند که بيشتر از 90 درصد ذرات، قطري در حدود يک تا صد نانومتر دارند .

سازوکار نانوذرات آهن

بررسي واکنش‌هاي احياي نانوذرات آهن در محلول‌هاي آبي نشان مي‌دهد که آهن فلزي، يون فرو و هيدروژن گازي احياکننده‌هاي اصلي در محيط هستند. احياي آلاينده‌ها در سطح آهن مي‌تواند از طريق انتقال الکتروني و يا تشکيل هيدروژن انجام شود

بررسي سازوکار نانوذرات دوفلزي Ni-Fe نشان مي‌دهد كه همزمان با قرارگيري ذرات دوفلزي Ni-Fe در يک محلول آبي، يک پيل گالواني تشكيل مي‌شود كه Fe به فلز کاتاليزور الکترون مي‌دهد و Ni به‌وسيلة آهن، حفاظت کاتدي مي‌شود. زماني که آهن اکسيد مي‌شود، با آب تشکيل هيدروکسيد و يا اکسيد آهن مي‌دهد و پروتون‌ها روي سطح Ni به اتم‌هاي هيدروژن و مولکول هيدروژن تبديل مي‌شوند . براساس اين سازوکار، واکنش هالوژن‌زدايي از طريق هيدروژن جذب‌شده بر روي کاتاليزور Ni-Fe به‌سرعت انجام مي‌شود.

ترکيب هالوژن‌دار روي سطح ذرات Ni-Fe جذب و پيوند C-Cl شکسته مي‌شود. سپس، اتم کلر جايگزين هيدروژن مي‌گردد (شکل 2) .

شکل (2) تصويري از سازوکار واکنش هالوژن زدايي يک ترکيب آلي کلردار با نانوذرات Ni-Fe ] 2[

با توجه به مطالب فوق، سازوکار نانوذرات دوفلزي در واکنش‌هاي هالوژن‌زدايي موجب تشکيل هيدروژن مي‌شود. در حالي‌که ذرات تک‌فلزي و همچنين مخلوط فيزيکي دوفلز عملکرد متفاوتي دارند. اين موضوع از طريق اندازه‌گيري ميزان هيدروژن توليدشده در آب به‌وسيلة نانوذرات آهن، نانوذرات نيکل، نانوذرات دوفلزي Ni-Fe و مخلوط فيزيکي نانوذرات آهن و نانوذرات نيکل ثابت شده‌است.

شکل (3) مقايسة مقدار هيدروژن توليدشده از واکنش نانوذرات دوفلزي، تک‌فلزي و مخلوط آن‌ها با آب. مربع مربوط به نانوذرات آهن، دايره‌ مربوط به نانوذرات نيکل، لوزي‌، مخلوط فيزيکي نانوذرات آهن و نانوذرات نيکل و مثلث مربوط به نانوذرات Ni-Fe است.

مطابق شکل (3) ميزان هيدروژني كه نانوذرات دوفلزي Ni-Fe توليد مي‌كند، بيشتر از بقية ذرات است و اين مي‌تواند به‌دليل تماس الکتروني بين دو فلز آهن و نيکل باشد

[mani24 29665]

شکل (4) ميزان گاز هيدروژن (molμ) که به‌وسيلة نانوذرات Ni-Fe در آب و در يک دورة زماني طولاني توليد شده‌است

این شکل نشان مي‌دهد که سرعت تشکيل هيدروژن در ابتداي واکنش به‌شدت افزايش يافته و با گذشت زمان، سطح آهن غيرفعال و سرعت واکنش کند مي‌شود .

محصولي که در ابتدا از کلرزدايي تري‌کلرو‌اتيلن به‌وسيلة نانوذرات Ni-Fe به دست مي‌آيد، شامل اتيلن و بوتن است که با پيشرفت واکنش، آلکان‌هاي زنجيره‌اي و شاخه‌دار (C1-C8) علاوه بر اولفين‌ها تشکيل مي‌شوند. پس از يک دورة زماني طولاني، آلکن‌ها به طور کامل احيا مي‌شوند و آلکان‌هايي با تعداد کربن زوج، مثل بوتان، هگزان و اکتان توليد مي‌کنند. محصولات داراي کربن زيادتر به‌علت شکستن پيوند C-C به‌وسيلة کاتاليزور Ni تشكيل مي‌شوند .

نتيجه‌گيري

 

مطالعات انجام‌شده بر روي هالوژن‌زدايي ترکيبات آلي کلردار به‌وسيلة آهن، نشان مي‌دهد که مرحله تعيين کننده سرعت، مرحلة انتقال الکترون به مولکول جذب سطحي شده‌است. اين سازوکار بيان مي‌کند که سرعت احياي دي‌کلرو‌اتيلن و وينيل‌کلرايد که پذيرنده الکترون ضعيف‌تري نسبت به تري‌کلرو‌اتيلن هستند، کندتر است. در بررسي تأثير آهن در احياي تري‌کلرو‌اتيلن مشاهده شده‌است که بعضي از محصولات واکنش احيا، مثل وينيل‌کلرايد، مي‌توانند به مراتب سمي‌تر از ترکيبات اوليه‌شان باشند. همان‌طورکه قبلاً بيان شد، واکنش هالوژن‌زدايي آلاينده‌هاي آلي کلردار با نانوذرات دوفلزي از طريق احياي هيدروژن صورت مي‌گيرد. بنابراين، سرعت واکنش احيا به‌وسيله نانوذرات دوفلزي، به مراتب بيشتر از واکنش احيا از طريق انتقال الکتروني است. افزايش سرعت واکنش آلاينده‌ها، از تشکيل محصولات فرعي سمي جلوگيري مي‌کند. همچنين با استفاده از نانوذرات آهن مي‌توان برخي از آلاينده‌هاي بسيار مقاوم مثل پرکلرات را تجزيه کرد.

اين روش به‌راحتي در شرايط محيطي قابل استفاده است و نياز به فراهم نمودن شرايط خاصي مثل دماي بالا وجود ندارد.

نانوساختارهاي اكسيد روي

اكسيد روي عضوي از خانواده ورتزيت و يكي از غني‌ترين نانوساختارها مي‌باشد. اكسيدروي سه مزيت عمده دارد:

اول اينكه نميه‌رسانايي با شكاف باند ev3.37 و انرژي تحريك زياد (60mev) مي‌باشد و همچنين نشر نزديك به ماوراء بنفش دارد. دوم پيزوالكتريك است كه در حسگرها و كاهنده‌ها بسيار كاربرد دارد. و در نهايت اكسيد روي زيست‌سازگار و ايمن مي‌باشد و مي‌تواند در كاربردهاي پزشكي به‌راحتي و بدون روكش به كار رود. با اين خصوصيات ويژه اكسيد روي مي‌تواند زمينه‌هاي تحقيقاتي گوناگوني را در آينده ايجاد كند

ذرات اكسيد روي خواصي مانند نيمه رسانايي، پيزوالكتريك و پيروالكتريك از خود نشان مي‌دهند. اين خواص بي‌نظير باعث مي‌شود كه ذرات اكسيد روي يكي از غني‌ترين مواد نانوساختاري باشند. با استفاده از روش تصعيد حرارتي فاز جامد- بخار، تحت شرايط ويژه،‌ مي‌توان نانوشانه‌ها، نانوحلقه‌ها، نانوفنرها،‌ نانوتسمه‌ها، نانوسيم‌ها و نانوقفسه‌هايي از اكسيد روي ايجاد كرد. اين نانوساختارها به دليل داشتن خاصيت زيست سازگاری مي‌توانند كاربردهاي جديدي در الكترونيك‌نوري، حسگرها،‌ ترانسفورماتورها و پزشكي داشته باشند.

هنگامي كه در سال 2001 نانوتسمه‌هاي نيمه‌رسانا كشف شدند‌ تحقيقات بر روي نانوساختارهايي كه حداقل داراي يك بعد نانومتری مي‌باشند به سرعت توسعه پيدا كرد، زيرا اين مواد كاربردهاي وسيع و جديدي در اپتيك، الكترونيك نوري،‌ كاتاليزورها و پيزوالكترويك دارند. نانوتسمه‌هاي اكسيدي نيمه‌رسانا گروه بي‌نظيري از مواد با تركيب شيميايي و ساختارهاي بلوري جالب مي‌باشند.

نانوتسمه‌ها از اكسيدهاي نيمه‌رساناي روي، قلع، كادميم و گاليم و با استفاده از تبخير پودرهاي تجاري اكسيد اين فلزات در دماي بالا حاصل مي‌شوند. اين نانوتسمه‌ها خالص، يك شكل و داراي بلورهاي منفرد مي‌باشند. ساختار هندسي ويژه اين شبه‌تسمه‌ها باعث ايجاد بلورهاي اكسيدي نيمه‌رسانا با كاتيون‌هايی با ظرفيت متفاوت و خواص جالب درآنها مي‌شود.

ترانزيستورهاي اثر ميداني، حسگرهاي نانومقياس بسيار حساس گازها و نانوحامل‌هاي ساخته شده از نانوتسمه‌هاي منفرد، نمونه‌اي از آنها مي‌باشند. انتقال حرارتي نيز در طول نانوتسمه‌ها اندازه‌گيري شده است. به علت خاصيت پيزوالكتريكي نانوحلقه‌ها، نانوتسمه‌ها و نانوفنرهاي سنتزي اخير مي‌توان از آنها در كاهنده‌ها، افزاينده‌ها و حسگرهاي نانومقياس استفاده كرد.

در بين اكسيدهاي كاركردي (Functional)، پروسكيت، دوتيل، فلوئوريد‌كلسيم و ورتزيت، اكسيد روي تنها ماده‌اي است كه هر دو ويژگي پيزوالكتريكي و نيمه‌رسانايي را از خود نشان مي‌دهد. اين ماده ساختارهاي گوناگوني دارد كه بسيار غني‌تر از انواع نانومواد شناخته شده مانند نانولوله‌هاي كربني مي‌باشند. با استفاده از روش تصعيد حرارتي حالت جامد و با كنترل سرعت رشد، دماي رشد موضعي و تركيب شيميايي مواد مي‌توان دستة وسيعي از نانوساختارهاي اکسيدروي را سنتز كرد.

نانوحلزون‌ها، نانوفنرها و نانوحلقه‌هاي يكپارچه و بدون درز

‌اکسيدروي، نيتريد‌گاليم، نيتريد‌آلومينيم، سولفيد‌روي و سلنيد‌كادميم، چند عضو مهم از خانواده ورتزيت مي‌باشند كه در ساخت مواد پيزوالكتريك، الكترونيك نوري و ليزر اهميت و كاربرد فراوان دارند.

دو ويژگي مهم اين خانواده تقارن غيرمركزي و سطوح قطبي آنها مي‌باشد.

به عنوان مثال اكسيد روي تركيبي است كه به خوبي مي‌تواند طرز قرارگرفتن كاتيون‌هاي Zn2+ را در كنار آنيون‌هاي O2- در يك تركيب چهار وجهي نشان دهد.

اين يون‌ها طوري قرار گرفته‌اند كه بار مثبت در سطح Zn-(0001) و بار منفي در سطح O-(000ī) قرار گرفته است. در نتيجه يك دو قطبي در طول محور مركزي به وجود مي‌آيد و باعث ايجاد اختلاف سطح انرژي بين سطوح مي‌شود.

با كنار هم قراردادن مواد اوليه و با در نظر گرفتن بعضي ناخالصي‌ها مانند اينديم مي‌توان نانوحلقه‌هاي اكسيد روي را سنتز كرد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) به طور كاملاً واضح شكل حلقه‌ها را با سطوح يكسان نشان مي‌دهد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني‌ تونل‌زني(TEM) نيز نشان مي‌دهد كه نانوحلقه‌ها به صورت تك‌بلوري و دايره‌اي هستند. اين ساختارهاي تك‌بلوري به معني تشکیل نانوحلقه‌هاي کامل از روبان تك‌بلوري مي‌باشد. نانوحلقه نتيجه حلقه‌اي‌شدن هم‌بافت و هم‌محور نانوتسمه‌ها مي‌باشد.

رشد ساختارهاي نانوحلقه‌اي را مي‌توان با در نظر گرفتن سطوح قطبي نانوتسمه‌هاي ‌اكسيد روي درك كرد. نانوتسمة قطبي كه سازندة نانوحلقه‌ها است در طول ‍[1010] و روي سطح ‍[1210]± و در بالا / پايين سطوح ‍[0001]+ رشد مي‌كند كه پهناي 15 نانومتر و ضخامت 10 نانومتر دارند. نانوتسمه‌ها در بالا و پايين سطوح خود بارهاي قطبي دارند. اگر بارهاي سطحي در طول رشد خنثي نشوند، نانوتسمه براي كم كردن بار سطحي به درون خودش پيچ مي‌خورد. يك روش ممكن، قراردادن سطح Zn-(0001) با بار مثبت برروي سطحO-(000ī) با بار منفي مي‌باشد، در نتيجه بارهاي قطبي موضعي خنثي و باعث كاهش بارهاي سطحي مي‌شوند و از روي هم‌قرارگرفتن انتهاي اين نانوتسمه‌ها يك حلقه تشكيل مي‌شود. شعاع حلقه ممكن است در نتيجة بسته شدن اوليه نانوتسمه تعيين شود، اما اندازه حلقه جهت كاهش انرژي تغيير شكل الاستيك نمي‌تواند خيلي كوچك باشد. انرژي نهايي وابسته به عواملي مانند بارهاي قطبي، وسعت سطحي و انرژي تغيير شكل الاستيك مي‌باشد. طول زياد بر همكنش الكترواستاتيك، نيروي اولية پيشران براي بسته شدن نانوتسمه است كه در نتيجه اولين دايره تشكيل مي‌شود.

نانوتسمه در طول رشد مي‌تواند به خاطر برهم‌كنش‌هاي الكترواستاتيك به صورت يك نوار برروي يك نانوحلقه كشيده شود، تا بارهاي قطبي موضعي را خنثي كرده، ناحيه سطحي را كاهش دهد. در نتيجه ساختارهاي نانوحلقه‌اي هم‌محور، چنددايره‌اي و هم‌مركز تشكيل‌مي‌شود. خودآرايي فرآيندي خود به خودي است كه يك نوار به دور خود مي‌پيچد و يك نانوتسمه رشد مي‌كند. كاهش ناحيه سطحي و تشكيل پيوندهاي شيميايي (نيروهاي نزديك) بين دايره‌ها،‌ ساختارهاي دوار پايدار را ايجاد مي‌كند. پهناي نانوحلقه، با حلقه‌ شدن بيشتر دايره‌ها حول محور نانوحلقه و قرار گرفتن هم جهت آنها در جهت محور نانوحلقه افزايش مي‌يابد.

شکل 1- مدل رشد متناسب نانوحلقه

زماني كه رشد در محدودة دمايي ˚C 400-200 انجام شود، با اتصال دايره‌هايي از نانوتسمه به وسيلة پيوندهاي شيميايي به همديگر ساختارهاي نانوحلقه‌اي استوانه‌اي تك‌بلوري تشكيل مي‌شود. قرارگرفتن حلقه‌ها كنار همديگر از نظر انرژي كاملاً مساعد است زيرا بارهاي قطبي درون حلقه‌ها كاملاً خنثي مي‌شوند. اين مدل رشد در شکل (1) نشان داده شده است.

نانوتسمه‌هاي داراي بار سطحي (شکل 2) مي‌توانند به صورت دو صفحة موازي به عنوان خازن به كار روند.

 

شکل 2- مدل نانوتسمه قطبي

يك نانوتسمة قطبي تمايل دارد جهت كاهش انرژي الكترواستاتيك به صورت رول درآيد. شكل حلزوني يا مارپيچ نيز مي‌تواند انرژي الكترواستاتيك را كاهش دهد (شکل 3).

اگر بار سطحي در طول رشد خنثي نشود، قطبش خود به خودي، كه نتيجه ممان دوقطبي است، انرژي الكترواستاتيك را كاهش مي‌دهد، اما تشكيل رول يا حلقة بسته مي‌تواند ممان دو قطبي را كاهش دهد يا‌ آن‌را كاملاً خنثي كند، در نتيجه انرژي الكترواستاتيك كاهش مي‌يابد.

از طرف ديگر خم‌كردن نانوتسمه انرژي الاستيك ايجاد مي‌كند. اگر نانوتسمه‌ها به صورت دايره به دايره رول شوند، نيروي دافعه بين سطوح قطبي در تمام طول نانوفنر ادامه دارد،‌ در حالي‌كه نيروي تغيير شكل الاستيك، دايره‌ها را به سمت همديگر مي‌كشد. نانوحلزون‌ها متحدالشكل و با شعاع 500 تا 800 نانومتر هستند و از نانوتسمه تك‌بلوري اکسيد روي ساخته شده‌اند

نانوفنرها و نانوحلقه‌هاي تك‌بلوري ساخته شده از نانوتسمه‌اي ‌اکسيدروي، ساختارهاي القايي خود به خودي قطبي دارند، كه نتيجة چرخش 90 درجه در قطبيت مي‌باشد. اين گونه ساختارها ايده‌آل‌ترين حالت براي درك پيزوالكتريکي و پديدة القاي قطبيت در مقياس نانو مي‌باشند. ساختارهاي نانوتسمه‌اي پيزوالكترويك مي‌توانند در حسگرها، ترانسفورماتورها و تشديدكننده‌هاي داراي نانومقياس به‌كار روند.

 

نانوملخ‌هاي مرتب

تغيير تركيب مواد اوليه به طور مؤثري شكل نانوساختارهاي اكسيد روي را تغيير مي‌دهد. در اين جا از مخلوطي از پودرهاي ‌اکسيدروي و اكسيد‌قلع با نسبت وزني 1:1 به عنوان مواد اوليه براي رشد نانوساختارهاي پيچيده اكسيد‌روي استفاده شده است. شكل (4) تصوير مواد سنتز شده را نشان مي‌دهد كه شامل مجموعه‌اي از نانوسيم‌هاي هم‌محور مي‌باشد كه توسط نانوساختارهاي با شكل بچه وزغ احاطه شده‌اند. رشته‌ها به شكل(liana) هستند در حالي‌كه نانوسيم‌ها به شكل nattan (چوب‌خيزران) مي‌باشند

 

شکل 3- توليد نانومارپيچ از نانوتسمه قطبي

اين نانوسيم‌ها پيوندهاي عرضي (جانبي) با ابعاد چند ده نانومتر دارند.

در نوك شاخه‌هاي شبه‌وزغ، توپ‌هاي كروي قرار دارند و شاخه‌ها به شكل يك نوار (روبان) مي‌باشند. نوارهاي حاصله تقريباً ضخيم و داراي سطح زبر مي‌باشند.

دومين رشد بر روي سطوح نانو ملخي باعث رشد نانوسيم‌هاي مرتب مي‌شود. اكسيد‌قلع در دماي بالا به ‌قلع و اكسيژن تجزيه مي‌شود بنابر اين نانوسيم‌ها و نانونوارها از فرآيند رشد بخار- مايع- جامد (VLS) حاصل مي‌شوند، كه ذرات كاتاليزوري‌ قلع به عنوان آغازگر و هدايت‌كنندة رشد نانوسيم‌ها و نانونوارها عمل مي‌كنند. رشد ساختارهاي جديد مي‌تواند طي دو مرحله انجام شود، مرحلة اول شامل رشد محوري نانوسيم‌هاي اكسيد روي حول ‍[0001] مي‌باشد. سرعت رشد بسيار بالاست، كه افزايش خيلي كمي در اندازة قطرات قلع دارد كه تأثير بسياركوچكي بر اندازة نانوسيم مي‌گذارد .

 

شکل 4- آرايه‌هاي ملخي از اکسيد روي

بنابراين محور نانوسيم تقريباً شكل يكنواخت در جهت محور رشد دارد. مرحله دوم هسته‌زايي و رشد هم‌بافت يك نانوروبان است كه نتيجة رسيدن قطرات قلع بر روي سطح نانوسيم اكسيد‌روي مي‌باشد. اين مرحله خيلي كندتر از مرحله اول است، زيرا طول نانوروبان كوتاه‌تر از نانوسيم است.

هنگامي كه قلع به حالت مايع و دماي محيط در حد دماي رشد باشد تمايل دارد كه ذرات قلع را جذب و ذرات با اندازة بزرگ‌تر تشكيل دهد

شکل 5- رشد آرايه‌هاي ملخي از اکسيد روي

بنابراين پهناي نانوروبان افزايش مي‌يابد و اندازة ذرات قلع روي نوک آن بزرگ‌تر مي‌شوند، درنتيجه ساختارهاي شبه وزغ حاصل در زير دستگاه TEM مشاهده مي‌شوند (شکل 5)

 

الگوي رشد نانوسيم‌هاي مرتب

 

الگوي رشد مرتب نانوساختارهاي يك بعدي براي كاربرد در حسگرها، الكترونيك نوري و نشر ميداني داراي اهميت و كاربرد مي‌باشد.

رشد مرتب نانوميله‌هاي ‌اكسيد‌روي، روي بستر جامد با فرآيند VLS و با استفاده از قلع و طلا به عنوان آغازگر و هدايت كنندة واكنش با موفقيت انجام شده است. جهت‌گيري هم‌بافت (epitaxial) نانوميله‌ها و بستر باعث رشد هم‌راستا مي‌شود. در روش‌هاي ديگر به جاي استفاده از كاتاليزور، از رشد هم‌بافت فاز بخار تركيبات آلي – فلزي، رشد مبتني بر قالب و مرتب كردن تحت ميدان الكتريكي،‌ براي رشد هم‌راستا عمودي نانوميله‌هاي ‌اكسيد‌روي استفاده مي شود.

Huang و همكارانش روشي را شرح داده‌اند كه در آن با استفاده از كاتاليزور و نانولوله‌هاي كربني نانوميله‌هاي هم‌راستا توليد مي‌شوند. در اين روش نانوميله‌هاي هم‌راستا با استفاده از خودآرايي كره‌هاي زيرميكروني و ماسك حاصل مي‌شوند. در روشي ديگر نيز با ادغام روش ماسك مبتني بر خودآرايي و روش هم‌بافت سطحي آرايه‌هاي شش وجهي با محدوده بزرگ، نانوميله‌هاي هم‌راستاي ‌اكسيد‌روي به دست مي‌آيد.

 

شکل 6- تصوير SEM از نانوسيم‌هاي متخلخل اکسيد روي که بر روي سيليکون با پوشش قلع رشد کرده‌اند

سنتز شامل سه مرحله مهم است: آرايه‌هاي نانوميله‌اي شش وجهي منتظم ‌اكسيد‌‌روي بر روي سابستريت تك‌بلوري اكسيد‌آلومينيم كه ذرات طلا به عنوان كاتاليزور در آن پخش شده‌اند رشد مي‌كنند. ابتدا‌ تك‌لايه‌هاي خودآرا، مرتب، دوبعدي و با مقياس بزرگ از كره‌هاي پلي‌استايرن با اندازة زيرميكرون حاصل شدند كه به بستر اكسيد‌آلومينيم تك بلوري متصل شدند. دوم يك لايه نازك از ذرات طلا بر روي تك لايه‌هاي خودآرا رسوب داده شده‌اند، سپس كره‌ها با روش حکاکی (eatch) كردن از آرايه‌هاي كاتاليزوري طلا جدا مي‌شوند. سرانجام نانوسيم‌ها با استفاده از روش VLC رشد مي‌كنند. شکل 5 نحوة توزيع ذرات كاتاليزور، الگوي نانوسيم را مشخص مي‌كند. اين مرحله مي‌تواند با استفاده از فناوري‌هاي متعدد ماسك جهت توليد ساختارهاي پيچيده به كار رود.

نانوسيم‌هاي تك‌بلوري متخلخل

مواد حفره‌اي به علت دارا بودن نسبت سطح به حجم بسيار زياد، كاربردهاي فراواني در كاتاليزورها، مهندسي محيط ‌زيست و حسگرها دارند. به طور نرمال، بيشتر اين ساختارهاي متخلخل از تركيب مواد آمورف و حفره‌اي به وسيلة واكنش آلي و معدني مبتني بر حلال به دست مي‌آيند.

در اينجا ساختارهاي نانوسيمي اكسيدروي ورتزيت جديدي گزارش شده‌اند كه داراي ساختار تك‌بلوري ولي با ديواره‌ها و حجم‌هاي متخلخل مي‌باشند. سنتز آنها مبتني بر فرآيند جامد- بخار است. شکل (6) يك تصوير SEM از نانوسيم‌هاي اكسيد‌روي سنتز شده بر روي بستري از سيليسيم را نشان مي‌دهد كه با لايه‌اي نازك از كاتاليزور قلع پوشش داده شده است. طول انوسيم‌ها از100 میکرومتر تا 1 میلی‌متر و شعاع آنها 50 تا 500 نانومتر مي‌باشد.

درحين واکنش، سولفات‌روي تشكيل شده روي بستر سيليسيم فقط جزئي از سطح را مي‌پوشاند زيرا شبكه آن هماهنگ با اكسيد روي نمي‌باشد. در نتيجه رسوب‌دهي فاز بخار اكسيد روي ساختارهاي متخلخل را تشكيل مي‌دهد. تخلخل بالا و تك‌بلوري بودن اين ساختارها، پتانسيل بالاي آنها را در *****اسيون،‌ نگهدارنده‌هاي كاتاليزورها و حسگرهاي گازها نشان مي‌دهد.

نانوتسمه‌هاي بسيار باريك ‌اكسيد روي

 

براي درك پديده‌ها و اثرات كوانتومي، نانوتسمه‌هايي با اندازة بسيار كوچك مورد نياز است. اخیراً با استفاده از كاتاليزورهاي جديد و با روش VLS نانوتسمه‌هاي بسيار ريز به دست آمده‌اند. در اين روش‌ها براي رشد بلورها به جاي استفاده از نانوذرات به عنوان كاتاليزور از لايه نازك (nm 10) و يكنواخت قلع استفاده شده است كه اين لايه نازك بر روي بستر سيليسيم پوشش داده شده است.

در اين روش نانوتسمه‌هايي نازك، باريك و متحدالشكل از اكسيدروي به دست آمدند که ميانگين اندازة نانوتسمه‌ها nm 5.5 مي‌باشد و نتايج بسيار خوبي را نشان مي‌دهد.

قفسه‌‌هاي چند وجهي

 

در اين كار نيز قفسه‌‌هاي اكسيد روي با خلوص و بازده بالا سنتز شدند،‌ اين قفس‌هاي كروي،‌ چندوجهي و باساختار متخلخل مي‌باشند كه از خودآرايي نانوبلورهاي اكسيدروي حاصل شده‌اند.

اين ساختارها با روش جديد خودآرايي نانوساختارها به دست مي‌آيند. اين روش شامل انجماد قطرات مايع روي، اكسيداسيون سطحي و تصعيد مي‌باشد. اين قفسه‌‌ها مي‌توانند جهت دارورساني به كار روند.

نتيجه‌گيري

اكسيد روي عضوي از خانواده ورتزيت و يكي از غني‌ترين نانوساختارها مي‌باشد. اكسيدروي سه مزيت عمده دارد: اول اينكه نميه‌رسانايي با شكاف باند ev3.37 و انرژي تحريك زياد (60mev) مي‌باشد و همچنين نشر نزديك به ماوراء بنفش دارد. دوم پيزوالكتريك است كه در حسگرها و كاهنده‌ها بسيار كاربرد دارد. و در نهايت اكسيد روي زيست‌سازگار و ايمن مي‌باشد و مي‌تواند در كاربردهاي پزشكي به‌راحتي و بدون روكش به كار رود. با اين خصوصيات ويژه اكسيد روي مي‌تواند زمينه‌هاي تحقيقاتي گوناگوني را در آينده ايجاد كند.

 

[مرضیه68 274]

سلام چرا عکس ها دیده نمی شه؟

[mim-shimi 25686]

من میبینم مرضیه جون

[مرضیه68 274]

واقعااااااااااااااااااااااااا اخه تو صفحه من از این ضربدرا به جای شکلا نشون میده باید تو صفحه کاری کنم تا شکلا رو نشون بده؟

[mim-shimi 25686]

فکر نکنم!

[azarafrooz 14221]

موافقم عکسها نمیاد