نانوذراتِ سیلیس

نانوذراتِ سیلیس

مقدمه:

نانوذرات به علت کاربردهای متعدد در صنایع مختلفی مانند صنایع آرایشی ـ بهداشتی، صنایع اُپتیکی و الکترونیکی، مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته‌اند.

دانشمندان در دههﻫﺎی گذشته نیز با فناوری تولید نانوذرات آشنا بودند، اما از آنجا که ابزارهای آزمایشگاهی لازم هنوز اختراع نشده بود، نمی‌توانستند به اقدامات عملی در این زمینه دست بزنند. در دهة 1990، محققانی که ذرات میکرومتری را تهیه ﻣﻲکردند، در گزارش توزیع اندازة ذرات آزمایش‌شده، به وجود ذرات نانومتری نیز اشاره نموده‌اند.

سؤال جالب این است که دانشمندانِ یادشده، در چه شرایطی و با چه ابزاری ذرات نانومتری را سنتز کرده‌اند. شما در کتابﻫﺎی شیمی خود با مفاهیم «هیدرولیز» (هیدرولیز واکنشی است که در محیط آبی منجر به یونیزاسیون ماده ﻣﻲشود) و «پلیمراسیون» آشنا شده‌اید. این دو فرآیند وقتی با هم صورت می‌گیرند، فرآیند ترکیبی جدیدی را ایجاد می‌کنند که «روش سُل ـ ‌ژِل» نامیده می‌شود. این روش مدتﻫﺎی طولانی برای تولید سرامیکﻫﺎی غیرآلی و شیشه‌ای مورد استفاده قرار ﻣﻲگرفت و تا اواسط دهة 90 همچنان روشی مقرون به صرفه به نظر ﻣﻲرسید. از آن به بعد دانشمندان مختلف توانستند این نانوذرات را از روشﻫﺎی گوناگون تهیه کنند. بنابراین، دیگر این روش اقتصادی به نظر ﻧﻤﻲرسید. از آنجا که بسیاری از دانشمندان توانستند نانوذرات سیلیس را از منابع طبیعی تهیه کنند، از آن پس دیگر نیازی به استفاده از این روش با موادّ اولیة گران‌قیمت نبود.

کاربرد نانوذرات سیلیس

سیلیس در ایران به‌وفور یافت می‌شود. این ماده از دو عنصر سیلیسیوم و اکسیژن تشکیل شده و از لحاظ ساختاری شبیه ساختار مولکول آب است.

ذرات سیلیس در صنایعی چون الکترونیک، کاتالیزورها، پوششﻫﺎ و رنگدانهﻫﺎ کاربرد وسیعی دارند. اما استفادة بسیار از این ماده خطرناک است و برای کسانی که در معرض آن قرار می‌گیرند مشکلات تنفسی به وجود می‌آورد.

 

ذرات سیلیس

روشﻫﺎی شیمیایی سنتزِ نانوذراتِ سیلیس پرهزینه‌اند، زیرا مواد مورد نیاز در این روش‌ها گران‌قیمت‌اند. بنابراین، دانشمندان تلاش می‌کنند تا روش‌ها و منابع مقرون به‌صرفه بیابند.

در سال 2004 زونگ هرنگ لیو (Tzong Horng Liou)، پژوهشگر تایوانی، برای اولین‌بار این ذرات را از شلتوک برنج سنتز کرد که از روش‌های بسیار ارزان‌قیمت به شمار می‌رود.

همان‌طور که گفته شد، در ایران معادن متعددی وجود دارند که کلوخهﻫﺎی سیلیس را می‌توان از آنها استخراج کرد. برای تبدیل این کلوخه‌ها به ذرات ریز چه می‌توان کرد؟ شاید تصور کنید که با آسیابﻫﺎی پرقدرت می‌شود این کلوخهﻫﺎ را آن‌قدر ریز کرد تا به اندازة نانومتری برسند. گرچه این روش به نظر معقول و مقبول می‌آید، ولی تا به حال آسیابی ساخته نشده است که بتواند پیوندهای کووالانسی بسیار قوی سیلیس را بشکند. بنابراین، برای ریز کردن کلوخة سیلیس باید چارة دیگری کرد. اعضای گروه شیمی دانشگاه تربیت مدرس موفق شده‌اند با استفاده از پراکندهﻫﺎی شیمیایی به ذرات نانومتری سیلیس دست یابند. پراکندهﻫﺎ موادی هستند که مانندِ پلی میان اتمﻫﺎ و مولکولﻫﺎ قرار ﻣﻲگیرند و از ایجاد پیوندهای قوی بین آنها جلوگیری ﻣﻲکنند.

کاربردهای نانوذرات سیلیس

اکنون سراغ کاربردهای نانوذرات سیلیس ﻣﻲرویم. سیستم کلوئیدی پراکنده‌ها، یعنی محلول حاوی ذرات پراکندة سیلیس، در صنایع مختلف از جمله در رنگدانهﻫﺎ و کاتالیزورها کاربرد دارد. همچنین از نانوذرات سیلیس می‌توان برای سختی و استحکام پوششﻫﺎی صنعتی استفاده کرد.

یک شرکت ژاپنی با استفاده از این نانوذرات در محصولات مرطوب‌کنندة خود، مشاهده کرد که کرمﻫﺎی جدید خشکی پوستِ مشتریان را درمان می‌کند. بنابراین، یکی دیگر از زمینه‌های کاربرد این نانوذرات ﻣﻲتواند داروها و لوازم آرایشی و بهداشتی باشد.

کاربرد دیگر نانوذرات، در عایقﻫﺎی حرارتی و عایقﻫﺎی الکتریکی است. با اعمال شرایط خاص، ﻣﻲتوان از این ذرات که به صورت پودر هستند، ساختارهای متخلخل به دست آورد. ساختار متخلخل کاربردهای جالبی دارد و از جمله ﻣﻲتوان از آنها به عنوان تصفیه‌کننده استفاده کرد.

سیلیس با ساختار متخلخل

امروزه توانسته‌اند از نانوپودر سیلیس با توزیع اندازة ذرات کم، پولیشرهای مکانیکی و شیمیایی تولید کنند. در این روش، مشکلاتی که در پولیش سطوح با استفاده از اسیدها و پولیشرهای دیگر وجود داشت، رفع شده است.

پولیشر چیست؟ معمولاً برای اینکه سطوح، صاف و صیقلی شوند، از پولیشر استفاده می‌کنند که معروفترین آنها سُمباده است که فکر می‌کنم همه این نوع پولیشر را دیده باشند. پولیشرِ سیلیس فناوریِ بالایی دارد و در پولیش کردن صفحة تلویزیون، مانیتور و لیزر به کار می‌رود. ذرات سیلیس بسیار سخت و محکم‌اند و کمتر تغییر شکل می‌دهند. برای پولیش و زدودن لایة روییِ برخی از مواد هم که سطحشان فعال است و واکنش نشان می‌دهند، از این پولیشر استفاده می‌شود. تا به حال از اسید برای زدودن این لایه استفاده می‌کردند که روش چندان مناسبی به شمار نمی‌رفت.

سنتز نانوذراتِ سیلیس به روش سُل ـ ژل

فرآیند سُل ـ ژل روش جدیدی نیست. در سال 1800 «ابل‌من» به طور اتفاقی مشاهده کرد که تتراکلرید سیلیکون - که در ظرف رها شده بود- ابتدا هیدرولیز و سپس به ژل تبدیل شد. در سال 1950 باب مطالعات گسترده‌ای در سنتز سرامیکﻫﺎ و ساختارهای شیشه‌ای با استفاده از این روش آغاز شد. شایان ذکر است که با این روش، بسیاری از اکسیدهای غیرآلی مانند SiO2 ZrO2 , TiO2 , …. سنتز شدند.

در این فرآیند با استفاده از مواد اولیه، ابتدا سُل تشکیل ﻣﻲشود. سُل محلولی کلوئیدی، حاوی ذرات معلّق است. بعد از این واکنش، ژل تشکیل ﻣﻲشود. ژل سوسپانسیونی است که شکل ظرف را به خود ﻣﻲگیرد و خواص کشسانی از خود نشان ﻣﻲدهد. از مزایای این روش ﻣﻲتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1ـ ابزار انجام آن ساده است؛

  2 ـ سرمایه‌گذاری اولیة آن کم و در عین حال کیفیت محصول بالاست؛

  3 ـ خلوصِ محصول به‌دست‌آمده بالاست؛

  4 ـ امکان طراحی ترکیب شیمیایی و به‌دست آوردن ترکیب همگن وجود دارد؛

  5 ـ فرآیند را می‌توان در دمای کم نیز ایجاد کرد.

از طرف دیگر، با توجه به شکل زیر، ﻣﻲتوان مشاهده کرد که با تغییر شرایط، ساختارهای متنوعی با استفاده از این روش به دست آیند.

مادة اولیه‌ای که در این روش مورد استفاده قرار ﻣﻲگیرد، الکوکسی سیلان نام دارد. این ماده از تأثیر شبه فلزات بر الکل تهیه ﻣﻲشود. تهیة این ماده بسیار مشکل است و در دنیا دو کمپانی صنایع شیمیایی قادر به تهیة آن هستند. الکوکسی سیلان ماده‌ای گران‌قیمت به شمار می‌رود، در عوض، با استفاده از این مادة اولیه ﻣﻲتوان به محصولاتی با خلوص بالا در مدت زمان کوتاه دست یافت. از سیلیسیلت سدیم نیز ﻣﻲتوان برای تهیة ذرات نانومتری سیلیس استفاده کرد. مشکل این‌ است که خلوص محصولاتِ حاصل از این مادة اولیه بالا نیست و نیاز به شست‌وشوی طولانی‌مدت دارد تا ناخالصیﻫﺎ از محصول نهایی خارج شود.

برای سنتز نانوذرات سیلیس، به الکوکسی سیلان، آب و الکل نیاز است. از آن‌جا که الکوکسی سیلان در آب حل ﻧﻤﻲشود، بنابراین، باید از ماده‌ای استفاده کرد که هم الکوکسی سیلان در آن حل شود و هم خود این ماده محلول در آب باشد. به این منظور، از الکل استفاده ﻣﻲکنیم. از طرف دیگر، واکنش دو مادة آب و الکوکسی سیلان بسیار کُند است و با افزودن الکل، سیستم رقیق‌تر هم ﻣﻲشود. در نتیجه سرعت واکنش باز هم کاهش می‌یابد. برای افزایش سرعت واکنش، ﻣﻲتوان از کاتالیزور استفاده کرد. کاتالیزوری را که برای انجام سریع این واکنش مورد استفاده قرار ﻣﻲدهیم باید به گونه‌ای باشد که بعد از انجام واکنش بتوان آن را به‌راحتی از سیستم خارج کرد. در گزارش محققان، هم از اسیدها و هم از بازها به عنوان کاتالیزور در سنتز ذرات سیلیس استفاده شده است که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند.

در محیطی با خاصیت بازی، ذرات تا اندازة 100 تا 200 نانومتر به‌سرعت رشد ﻣﻲکنند و نیروی دافعة جرمی باعث ﻣﻲشود که ذرات جدا از هم باقی بمانند. در محیط اسیدی ذرات در اندازة 2 تا 4 نانومتر متوقف ﻣﻲشوند، ولی در ادامة فرآیند به‌سرعت به هم ﻣﻲپیوندند و ذرات بزرگتر را تشکیل می‌دهند.

برای سنتز نانوذرات سیلیس، از کاتالیزور آمونیاک استفاده ﻣﻲشود. از مزایای آمونیاک این است که نقطة جوش پایین دارد و به‌سرعت از سیستم بیرون می‌رود. ولی از اسیدهایی چون اسید کلریدریک، نیتریک و استیک نیز می‌توان استفاده کرد که نقطة جوش بالایی دارند. بنابراین، خارج کردن آنها از سیستم کار راحتی ﻧیست. از معایب دیگرِ این کاتالیزورها این است که باعث ایجاد لیگاندهایی با محصولات ﻣﻲشوند که دیگر ﻧﻤﻲتوان محصول را با همان پیوندهای شیمیایی مورد نظر تهیه کرد.

لیگاند چیست؟ لیگاند: در یون کمپلکس، یون‌هایی وجود دارند که یون مرکزی را احاطه کرده‌اند، مثلاً ( CN) (منظور از یون کمپلکس یونی است که از چند یون تشکیل شده است)

روش آزمایش

مقداری آب را با الکل و آمونیاک و بقیة الکل را با الکوکسی سیلان مخلوط می‌کنیم. این دو محلولِ جداگانه را به هم ﻣﻲافزاییم و با هم زدن، سیستم را کاملاً همگن ﻣﻲکنیم. بسته به نسبت مولی مورد استفاده در سنتز این ذرات، زمان هیدرولیز و چگالش متفاوت است. بعد از تهیة این محلول، ابتدا الکوکسی سیلان در محیط آبی هیدرولیز ﻣﻲشود. در این فرآیند گروه هیدروکسیل جایگزین گروه کربوکسیل ﻣﻲشود. این واکنش همان‌طور که گفته شد در محیط آبی طبق معادلة زیر انجام ﻣﻲشود.

بعد از هیدرولیزِ محصولات، چگالش طبق معادلة زیر آغاز ﻣﻲشود.

2 HOSi(OR)3   ==>  (OR)3 SiOSi (OR)3 + H2O

                      یا (OR)3 SiOSi (OR)2 (OH) + ROH

(R جزء گروه الکیل است.)

در مرحلة پلیمریزاسیون گروه سیلانول Si-OH با آزاد کردن آب یا الکل به صورت سیلوکسان Si –O– Si درﻣﻲآید. سازوکار هیدرولیز به این صورت است که اکسیژن آب به اتمﻫﺎی سیلیکون حمله ﻣﻲکنند. آب ابتدا به شکل یونﻫﺎی +H  و ¯OH در می‌آید و گروه الکوکسی نیز به صورت -(OR) و Si(OR)3+  تفکیک ﻣﻲشود. سپس -(OH) ناشی از هیدرولیز آب جایگزین OR- ناشی از هیدرولیز الکوکسی ﻣﻲشود.

باید خاطرنشان کرد که سرعت این واکنش با افزودن کاتالیزور تغییر ﻣﻲکند. اگر از کاتالیزور اسیدی استفاده کنیم، سازوکار واکنش اندکی متفاوت خواهد بود. در این حالت به علت وجود +H در محیط، گروه الکوکسی به‌سرعت پروتونﻫﺎی +H را جذب ﻣﻲکند و چگالی ابرالکترونی سیلیکن کاهش خواهد یافت. بنابراین، برای مورد حمله قرار گرفتن توسط مولکولﻫﺎی آب مستعد خواهند شد.

در محیط با خاصیت بازی آب، ابتدا یونﻫﺎی هیدروکسیل ¯OH  تولید خواهند شد. سپس یونﻫﺎی هیدروکسیل جایگزین گروه OR ﻣﻲشوند.

بعد از فرآیند هیدرولیز، مونومرها و دی‌مرهای تشکیل می‌شوند و به هم ﻣﻲپیوندند. در این هنگام است که پلیمریزاسیون آغاز می‌شود. این مرحله ممکن است به این صورت رخ دهد:

1ـ سازوکاری که منجر به تشکیل آب ﻣﻲشود:

2 Ho Si (OR)3    ==>  (OR)3 + H2O

2 ـ سازوکاری که منجر به تشکیل الکل ﻣﻲشود:

2 Ho Si (OR)3     ==>  (OR)2 OH SiOSi (OR)3 + HOR

با افزایش پیوندهای سیلوکسان، مولکولﻫﺎی منفرد به یکدیگر ﻣﻲپیوندند و تشکیل سُل می‌دهند. سپس دانهﻫﺎی تشکیل‌شده به یکدیگر ﻣﻲپیوندند و تشکیل یک شبکة سه‌بُعدی را که همان ژِل است، ﻣﻲدهند.

با خشک کردن این محلول، ﻣﻲتوان ذرات نانومتریِ پراکنده‌شدة سیلیس را تهیه کرد. اگرچه این فرآیند به‌سادگیِ دو معادلة ذکرشده در بالا نیست (و دارای مراحل میانی زیادی است) ولی هدف از ذکر این آزمایش چند نکته به شرح زیر است:

1ـ تهیة ذرات نانومتری با استفاده از روشﻫﺎی معمول ﻣﻲتواند انجام شود. فقط کافی است تدبیری اندیشید تا این ذرات ریزتر باشند و به هم نچسبند. این فن‌آوری ظرافتﻫﺎی خاص خود را دارد، ولی دور از دسترس نیست؛

2ـ با استفاده از روشﻫﺎی آزمایشگاهی ساده، بسیاری از مواد مورد نیاز کشور را می‌توان تهیه کرد. زیرا به علت تحریم اقتصادی کشور، قادر به واردات بسیاری از این مواد نانومتری نیستیم؛

3 ـ با طراحی یک دستگاه دقیق ﻣﻲتوان این فرآیند را ادامه‌ داد و در شبانه‌روز به مقدار قابل توجهی از آن در آزمایشگاه تولید کرد.