انواع روش های سنتز نانو ذرات

مقدمه‌ای بر انواع روش های سنتز نانو ذرات

به طور کلی، نانو‌مواد با استفاده از روش‌های مختلفی سنتز می‌شوند که به دو دسته‌‌ی اصلی روش‌های پایین به بالا (Bottom-Up) و بالا به پایین (Top-Down) تقسیم می‌شوند. روش‌های مختلف سنتز نانوذرات به صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.

• روش بالا به پایین (Top-Down Method):

در روش بالا به پایین که به عنوان یک روش مخرب شناخته می‌شود، مواد در ابعاد بزرگ به مواد کوچک تری تجزیه می‌شوند و در نهایت به نانو مواد تبدیل می‌شوند.

• روش پایین به بالا (Bottom-Up Method):

در روش پایین به بالا که به عنوان یک روش سازنده شناخته می‌شود، در اثر تبدیل اتم‌ها به خوشه‌ها و در نهایت تبدیل خوشه‌ها به نانو‌ذرات، نانو‌مواد شکل می‌گیرند.

انواع روش های بالا به پایین سنتز نانو ذرات

1. روش آسیاب مکانیکی (Mechanical Milling Method)
2. روش نانو لیتو گرافی (Nanolithography Method)
3. روش تبخیر لیزری (Laser Ablation Method)
4. روش اسپاترینگ (Sputtering Method)
5. روش تجزیه حرارتی (Thermal Decomposition Method)
6. روش تخلیه ی قوسی (The Arc Discharge Method)

روش آسیاب مکانیکی (Mechanical Milling Method):

آسیاب مکانیکی پرکاربردترین روش بالا به پایین برای سنتز انواع نانو‌ذرات است. با استفاده از این روش می‌توان انواع نانو‌ذرات از جمله آلیاژهای آلومینیوم تقویت شده با اکسیدها و کاربیدها، پوشش‌های اسپری کننده‌ی مقاوم در برابر سایش، نانو‌آلیاژهای گوناگون بر پایه‌ی آلومینیوم، نیکل، منیزیوم، مس و همچنین انواع نانوکامپوزیت‌های گوناگون را سنتز کرد.

روش نانو‌لیتو گرافی (Nanolithography Method):

روش نانو‌لیتوگرافی روشی عملی برای ساخت نانو‌ساختارها با استفاده از پرتوی متمرکز الکترون و نور می‌باشد. در این روش فرآیند سنتز نانو‌ذرات شامل چاپ و یا ایجاد یک ساختار و شکل خاص بر روی یک ماده‌‌‌‌‌ی حساس به نور و حذف انتخابی بخشی از ماده به جهت شکل و ساختاری ایده آل می‌باشد. از مزایای روش نانو‌لیتوگرافی می‌توان به توانایی سنتز ساختارهایی با شکل و اندازه‌ی دلخواه از یک نانو‌ذره منفرد اشاره کرد.

روش حذف سطحی با لیزر (Laser Ablation Method):

فرآیند سنتز نانو‌ذرات با استفاده از روش حذف سطحی با لیزر شامل برخورد یک پرتوی لیزر قدرتمند به ماده‌ی هدف است. پس از برخورد پرتوی لیزر، اتم‌های فلز تبخیر شده و بلافاصله توسط مولکول‌های سورفکتانت در محلول احاطه می‌شوند تا نانو‌ذرات تشکیل شوند. روش حذف سطحی با لیزر امکان تولید نانو‌ذرات با خلوص بالا و کنترل دقیق بر ترکیب و اندازه را فرآهم می‌کند و به دلیل عدم نیاز به پیش ماده‌های شیمیایی آلودگی کمتری ایجاد می‌کند.

روش اسپاترینگ (Sputtering Method):

روش اسپاترینگ یکی از روش‌های فیزیکی و پرکاربرد برای سنتز نانو‌ذرات است. در این روش، اتم‌ها یا مولکول‌های سطح یک ماده هدف (کاتد) با بمباران یون‌های پرانرژی (معمولاً یون‌های گاز آرگون) از سطح جدا می‌شوند و به سمت یک بستر (آند) حرکت می‌کنند. این اتم‌ها پس از رسیدن به بستر، رسوب کرده و لایه‌ای نازک از نانو‌ذرات را تشکیل می‌دهند. این روش به دلیل کنترل‌پذیری بالا، قابلیت استفاده برای انواع مواد (فلزی، اکسیدی و نیمه‌رسانا) و عدم نیاز به مواد شیمیایی سمی، در سنتز نانو‌ذرات و لایه‌های نازک بسیار کاربرد دارد. همچنین با تغییر پارامترهایی مانند نوع گاز، فشار، ولتاژ و فاصله بین هدف و بستر، می‌توان اندازه و ویژگی‌های نانو‌ذرات تولیدی را تنظیم کرد.

روش تجزیه حرارتی (Thermal Decomposition Method):

در روش تجزیه حرارتی که یک فرآیند گرماگیر است، پیوندهای شیمیایی با استفاده از حرارت شکسته شده و به پیوندهای کوچک تری تبدیل می‌شوند. فلز در دماهای خاصی تجزیه می‌شود تا نانو‌ذرات فرم بگیرند و در نهایت با استفاده از یک سری واکنش‌های شیمیایی تشکیل می‌شوند. این روش اغلب برای تولید نانو‌ذرات اکسید فلزی به کار می‌رود و از نظر هزینه و زمان مقرون به صرفه و کارآمد می‌باشد و به حداقل تجهیزات پیچیده نیازمند است.

روش تخلیه‌ی قوسی (The Arc Discharge Method):

در روش تخلیه‌ی قوسی ، دو الکترود (معمولاً از جنس فلز یا گرافیت) در فاصله کمی از یکدیگر قرار می‌گیرند و با اعمال ولتاژ بالا بین آن‌ها، قوس الکتریکی شدیدی ایجاد می‌شود. این قوس باعث تبخیر و یونیزه شدن ماده الکترودها می‌شود و اتم‌ها یا خوشه‌های اتمی حاصل، در محیط اطراف (که می‌تواند گاز بی‌اثر، هوا، اکسیژن یا حتی محیط مایع باشد) پخش می‌شوند و پس از سرد شدن به صورت نانو‌ذرات متراکم می‌گردند.

روش تخلیه‌ی قوسی برای ساخت انواع نانو‌ساختارها مورد استفاده قرار می‌گیرد. فولرن‌ها، نانو‌شاخ‌های کربنی، نانو‌لوله‌های کربنی، گرافن با لایه‌های کم و نانو‌ذرات کروی آمورف کربنی از جمله مواد کربنی هستند که می‌توان با استفاده از این روش سنتز شوند. در این روش، پارامترهایی مانند نوع و فشار گاز محیط، شدت جریان، جنس و فاصله الکترودها و حتی وجود کاتالیست‌ها می‌تواند بر اندازه، شکل و خلوص نانو‌ذرات تولیدی تأثیرگذار باشد.

انواع روش های پایین به بالا سنتز نانو ذرات

• روش سل-ژل (Sol-Gel Method)
• روش اسپینینگ (Spinning Method)
• روش رسوب بخار شیمیایی (Chemical Vapor Deposition (CVD) Method)
• روش پیرولیز (Pyrolysis Method)
• روش‌های سولوترمال و هیدروترمال (Solvothermal and Hydrothermal Methods)
• روش‌های قالب گیری نرم و سخت (Soft and Hard Templating Methods)
• روش مایسل معکوس (Reverse Micelle Method)
• روش‌های بیولوژیکی و سبز (Biological and Green Methods)

روش سل-ژل (Sol-Gel Method):

روش سل-ژل یکی از روش‌های پرکاربرد به جهت سنتز  انواع نانو‌ذرات به ویژه نانو‌ذرات اکسید فلزی مختلف می‌باشد. در این روش، ابتدا پیش ماده‌های مولکولی از جمله آلکوکسیدهای فلزی در آب یا الکل حل می‌شوند. در این مرحله پیش ماده‌های مولکولی به ذرات ریز کلوئیدی (سل) تبدیل می‌شوند که به صورت معلق در محلول باقی می‌مانند.

با حرارت دادن و هم زدن از طریق واکنش هیدرولیز/الکولیز ذرات کلوئیدی به هم متصل می‌شوند و شبکه‌ای سه بعدی و متخلخل به نام ژل را تشکیل می‌دهند.

از آنجا که ژل به دست آمده از فرآیند هیدرولیز/الکولیز مرطوب، نمناک و نیمه جامد است، باید با استفاده از روش‌های مناسب و بسته به خواص و کاربرد مورد نظر ژل خشک شود تا حلال از ساختار آن جدا شود. انوع روش‌های خشک کردن (خشک کردن معمولی، خشک کردن فوق بحرانی و غیره) تاثیر زیادی برخواص نهایی محصول دارد. ژل خشک شده معمولاً در دمای بالا کلسینه می‌شود تا ساختار نهایی با خواص مطلوب حاصل گردد.

روش اسپینینگ (Spinning Method):

در روش اسپینینگ نانو‌ذرات توسط راکتور دیسک چرخان (Spinning Disc Reactor (SDR)) سنتز می‌شوند. دستگاهی که در این روش مورد استفاده قرار می‌گیرد دارای یک دیسک در حال چرخش است که در داخل یک محفظه یا راکتور قرار دارد و در آن می‌توان پارامترهای فیزیکی مانند دما را کنترل کرد. سنتز نانو‌ذرات با استفاده از این روش به عوامل مختلفی از جمله سطح دیسک، نسبت مایع به پیش ماده، سرعت چرخش دیسک، نرخ جریان مایع و  محل ورود خوراک می‌تواند بستگی داشته باشد.

روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (Chemical Vapor Deposition (CVD) Method):

در روش رسوب دهی شیمیایی با استفاده از فاز بخاز، فرآیند رسوب دادن یک لایه‌ی نازک از واکنش دهنده‌های گازی بر روی یک زیر لایه صورت می‌گیرد. هنگامی که زیر لایه‌ی گرم با گاز ترکیبی تماس پیدا می‌کند یک واکنش شیمیایی رخ می‌دهد و در اثر واکنش، یک لایه‌ی نازک از محصول بر سطح زیر لایه تشکیل می‌شود. از معایب این روش می‌توان نیاز به تجهیزات پیشرفته و سمی بودن محصولات جانبی گازی اشاره کرد.

روش پیرولیز (Pyrolysis Method):

روش پیرولیز رایج ترین فرآیند مورد استفاده در صنایع به جهت تولید نانو‌ذرات در مقیاس بزرگ می‌باشد. در این روش که یک فرآیند تجزیه‌ی حرارتی است، از طریق حرارت دادن مواد پیش ماده در یک محیط کنترل شده، نانو‌ذرات در دماهای بالا سنتز می‌شوند. از مزایای روش پیرولیز می‌توان به سادگی، کارایی، مقرون به صرفه بودن و پیوسته بودن فرآیند همراه با بازدهی بالا اشاره کرد. این روش برای تولید انواع مختلفی از نانو‌ذرات از جمله اکسیدهای فلزی، نانو‌مواد کربنی و سایر نانو‌مواد می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

روش‌های سولوترمال و هیدروترمال (Solvothermal and Hydrothermal Methods):

روش‌های سولوترمال و هیدروترمال از جمله تکنیک‌های کارآمد برای ساخت مواد از جمله نانو‌ذرات با استفاده از دما و فشار بالا در ظروف دربسته می‌باشند. در روش هیدروترمال واکنش شیمیایی در یک محلول آبی (از آب به عنوان حلال استفاده می‌شود) در دماهایی بالاتر از نقطه‌ی جوش حلال صورت می‌گیرد؛ در حالی که در روش سولوترمال واکنش شیمیایی در محلول‌های غیر آبی (از حلال‌های آلی استفاده می‌شود) در دماهایی بالاتر از نقطه‌ی جوش حلال انجام می‌پذیرد.

دمای بالا و فشار زیاد باعث حلالیت و واکنش پذیری مواد اولیه می‌شود و در نتیجه ساختارهای بلوری و نانو‌ذراتی با کیفیت بالا و با کنترل دقیق بر شکل و اندازه سنتز می‌گردند.

روش‌های قالب دهی نرم و سخت (Soft and Hard Templating Methods):

روش‌های قالب دهی نرم و سخت دو رویکرد متفاوت برای سنتر گسترده‌ی نانو‌مواد متخلخل می‌باشند. در روش‌های قالب دهی نرم از مولکول‌ها و پلیمرهای خودآرا، کوپلیمرهای بلوکی، مولکول‌های آلی انعطاف پذیر و سورفکتانت‌های آنیونی، کاتیونی و غیر یونی به جهت رشد، شکل دهی و تشکیل نانو‌ذرات استفاده می‌شود.

پس از سنتز حذف قالب‌های نرم معمولاً ساده تر است و با شست وشو و یا حرارت کم از سیستم خارج می‌شوند. در مقابل، در روش‌های قالب دهی سخت از ساختارهای جامد و از پیش موجود مانند سیلیکای متخلخل و یا اکسید آلومینیوم آندی به جهت شکل دهی نانو‌ذرات استفاده می‌شود. حذف قالب‌های سخت معمولاً با انجام روش‌های شیمیایی ویا حرارتی صورت می‌گیرد تا نانو‌ساختار نهایی حاصل گردد.

روش مایسل معکوس (Reverse Micelle Method):

استفاده از روش مایسل معکوس برای تولید نانو‌مواد با شکل، مورفولوژی و اندازه‌ی دلخواه بسیار کارآمد است. در طبیعت مایسل‌های معکوس در حالت امولسیون آب در روغن تشکیل می‌شوند؛ به طوری که سرهای آب دوست به سمت هسته ای که حاوی آب است قرار می‌گیرند. در این روش از مایسل‌های معکوس (قطرات آب در مقیاس نانو که توسط مولکول‌های سورفکتانت پایدار شده و در یک حلال آلی غیرقطبی پراکنده شده‌اند) به عنوان نانو‌راکتور به جهت انجام واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود.

روش‌های بیولوژیکی و سبز (Biological and Green Methods):

روش‌های بیولوژیکی و سبز از جمله تکنیک‌های کارامد و دوستدار محیط زیست به جهت سنتز نانو‌ذرات می‌باشد. نانو‌ذراتی که با استفاده از این دسته از روش‌ها سنتز می‌شوند دارای خواص منحصر به فرد و بهبود یافته‌ای هستند که این دسته از ساختارها را برای کاربردهای زیست پزشکی مناسب می‌سازد. در سنتزهای بیولوژیکی و سبز می‌توان از میکرواورگانیسم‌ها (باکتری‌ها، جلبک‌ها و قارچ‌ها)، قالب‌های زیستی و بخش‌های مختلف گیاهان استفاده کرد. میکرواورگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها، قارچ‌ها و جلبک‌ها توانایی سنتز انواع مختلفی از نانو‌مواد را از محلول‌های آبی نمک‌های فلزی دارند.

به عنوان مثال، باکتری‌های مگنتوتاکتیک در شرایط بی هوازی ذرات مغناطیسی تولید می‌کنند. باکتری‌های فتوسنتزی همانند Rhodopseudomonas capsulate نانو‌ذرات طلا (10 تا 20 نانو‌متر) را به صورت خارج سلولی می‌سازند. قارچ‌های Fusarium oxysporum برای تهیه‌ی نانو‌ذرات نقره و و جلبک Sargassum wightii algae  برای تهیه‌ی نانو‌ذرات طلا به صورت خارج سلولی به کار می‌روند. از جمله معایب استفاده از میکرواورگانیسم‌ها می‌توان به بیماری زا بودن آن‌ها اشاره کرد.

بنابراین باید احتیاط لازم در زمان استفاده از این ساختارها را به کار برد. قالب‌های زیستی مانند DNA و پروتئین‌ها ساختارهای نانویی منحصر به فرد و پیچیده‌ای را ایجاد می‌کنند. این نانو‌ذرات می‌توانند برای ساخت زیست حسگرها و سیستم‌های زیست الکترونی مورد استفاده قرار گیرند.

پروتئین‌ها اجزای اصلی نانو‌مواد کامپوزیتی هستند. به عنوان مثال فریتین پروتئین ذخیره‌ی آهن درون سلولی در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها است. این پروتئین آهن را به صورت اکسید آهن ذخیره می‌کند و به صورت کنترل‌شده آزاد می‌سازد. فریتین به عنوان یک بافر در بدن انسان عمل می‌کند و کمبود یا اضافه بار آهن را تنظیم می‌کند.

گیاهان و عصاره‌های گیاهی نیز در سنتز نانو‌ذرات بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترکیبات فیتوشیمیایی موجود در گیاهان از جمله فلاونوییدها، اسیدهای آلی و کینون‌ها به عنوان عوامل کاهنده باعث کاهش یون‌های فلزی و تولید نانو‌ذرات می‌شوند.

نانو‌ذرات طلا با اشکال مختلف از زیست توده گیاهانی همچون یونجه (Medicago sativa)، شمعدانی Pelargonium) graveolens) و غیره سنتز می‌شوند.

عصاره‌ی برگ آلوورا و برگ‌های گیاه نیم (Azadirachta indica) می‌توانند به ترتیب برای ساخت نانو‌ذرات دوفلزی طلا-نقره و نانو‌ذرات هسته-پوسته طلا و نقره استفاده شوند.

علاوه بر موارد ذکر شده نانو‌ذرات نقره، نیکل، کبالت، روی و مس نیز با استفاده از گیاهانی مانند خردل هندی (Brassica juncea)، آفتابگردان (Helianthus annuus) و سایر گونه‌های گیاهی سنتز می‌شوند.

همچنین بخوانید:

• خرید نانو ذرات و نانو مواد
• طبقه‌بندی نانو مواد
• دوره مهارت آموزی نانوذره

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر می‌توانید به مراجع زیر مراجعه داشته باشید.

References:

1. Nanomaterials: an overview of synthesis, classification, characterization, and applications. Nano Select, 2023, 4, 486-501.
2. A review on nanoparticles: characteristics, synthesis, applications, and challenges. Frontiers in Microbiology, 2023, 14, 1155622.
3. Synthesis of CuO hollow nanoparticles using laser ablation: effect of fluence and solvents. Applied Physics A. 2020, 126, 226.
4. Can we optimize arc discharge and laser ablation for well-controlled carbon nanotube synthesis? Nanoscale Research Letters. 2016, 11, 1-23.
5. Review on micro-and nanolithography techniques and their applications.” Engineering Journal. 2012, 16, 37-56.
6. Nanomagnetic approach applied to microalgae biomass harvesting: advances, gaps, and perspectives. Environmental Science and Pollution Research. 2021, 28, 44795-44811.
7. Thin Films: Deposition Methods and Applications. 2023.
8. Nanomaterial by sol‐gel method: synthesis and application. Advances in materials science and engineering. 2021, 2021, 5102014.
9. Fabrication and electrical characterization of memristor with TiO2 as an active layer. In AIP Conference Proceedings. 2015, 1661, AIP Publishing.
10. Application of iron based nanoparticles as adsorbents for arsenic removal from water. Chemical Engineering Transactions. 2016, 47, 325-330.
11. Hydrothermal synthesis of ZnO superstructures with controlled morphology via temperature and pH optimization. Materials. 2023, 16, 1641.
12. Soft-template-assisted synthesis: a promising approach for the fabrication of transition metal oxides. Nanoscale Advances. 2020, 2, 5015-5045.
13. Reverse micelle synthesis and characterization of supported Pt/Ni bimetallic catalysts on γ-Al2O3. Applied Catalysis A: General. 2011, 394, 41-47.