مواد نانوساختار با داشتن یک بعد فیزیکی کمتر از 100 نانومتر و مقادیر زیاد و فصل مشترک ها متایز می شوند و به دلیل خواص بی نظیرشان در مقایسه با مواد معمولی ، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند . این مواد ا میتوان با استفاده از روش های بالا به پایین به وسیله فرسایش مواد درشت دانه و یا به عکس از طریق چیدن اتم ها یا ذرات در کنار هم ،در شیوه های پایین به بالا تولید نمود .در میان روش های پایین به بالا ،روش های شیمیایی به دلیل توانایی کنترل نظم اتم ها اهمیت زیادی یافته اند. واکنش های شیمیایی برای سنتز مواد می تواند در حالت گاز ، مایع و یا جامد انجام شود . در مورد انجام واکنش های شیمیایی در حالت جامد ،ابتدا پیش سازها در معرض آسیاب کاری یا مخلوط سازی اولیه قرار گرفته و پس از آن در دمای بالا به منظور افزایش سرعت نفوذ اتم ها یا یون ها در واکنش شیمیایی ،عملیات حرارتی میشوند . در این نوع واکنش ها ،چگونگی انجام نفوذ اتمی به دمای واکنش و ارتباط مرز دانه ها وابسته است . مراحل مخلوط سازی و خردایش اغلب در سراسر چرخه عملیات حرارتی تکرار شده و امکان اختلاط مواد در مقیاس اتمی و ایجاد سطوحی تازه برای واکنش های بعدی را فراهم می آورد .


در مقایسه با سرعت نفوذ اتمی در حالت جامد ،سرعت نفوذ در فاز گاز یا مایع چندین برابر بیشتر است . به همین دلیل سنتز مواد نانو ساختار در فاز گاز یا مایع در دمای کمتری انجام شده و از رشد دانه های کریستالی ممانعت می شود.

سنتز ذرات از یک محلول با تشکیل جوانه های پایدار و رشد آنها صورت میگیرد که به مجموعه این اتفاق ها رسوب گذاری گفته می شود . با اضافه نمودن مواد شیمیایی فعال کننده به محلول حاوی واکنش گرها ، واکنش شیمیایی آغاز و محلول از محصولات به حالت فوق اشباع می رسد . با به وجود آمدن این شرایط ، سیستم از حالت تعادل خود بسیار دور شده ،با تراکم محصولات و تشکیل جوانه های اولیه حالت ترمودینامیکی مجددا برقرار می شود.

در حین فرایند رسوب گذاری دو نوع جوانه زنی می توند رخ دهد : جوانه زنی همگن و جوانه زنی غیر همگن . در جوانه زنی همگن هیچ عامل خارجی بر جوانه زنی تاثیر ندارد در حالی که در جوانه زنی غیر همگن عوامل خارجی بر تشکیل جوانه های پایدار در محلول موثر هستند .پس از تشکیل جوانه ها ،فرایند رشد با رقابت عوامل سینتیکی و ترمودینامیکی انجام میگیرد .

 

کلوخه شدن و پراکنده شدن پایدار:

هنگامی که جوانه زنی در یک محلول فوق اشباع انجام شد ،رشد جوانه ها در زمان کوتاهی پس از آن انجام میگیرد و به شرط آنکه در حین رشد ،جوانه زنی ثانویه رخ ندهد ،توزیع یکنواختی از ذرات بدست می آید . به منظور جلوگیری از جوانه زنی غیر همگن لازم است قبل از واکنش ،عوامل جوانه زای موجود از محلول خارج شوند .در هر حال در صورتی که ذرات پس از تولید ،کلوخه ای نشده و عمل استوالد (جذب ذرات کوچک توسط ذرات بزرگ تر ) اتفاق نیفتد ، یکنواختی اندازه ذرات حفظ خواهد شد .

واژه های کلوئید و ژل به محلول هایی اطلاق می شود که در آن ذرات (با اندازه کمتر از 100 نانومتر) در درون سیال پیوسته به طور یکنواخت پراکنده شده باشد .با شروع مرحله جوانه زنی در ابتدای انجام واکنش های شیمیایی ،رسوبات بسیار ریزی تشکیل می شود . به منظور جلوگیری از ته نشین شدن این رسوبات لازم است با هم زدن محلول ،این ذرات را از هم جدا نمود ،در هر حال با وجود هم زدن در محلول ،باز هم امکان کلوخه ای شدن ذرات وجود دارد .در شرایط مناسبی در حلال های آبی ،امکان باردار شدن رسوبات تولیدی وجود دارد . در چنین شرایطی بین دو ذره با بار یکسان ،نیروی رانش الکتروستاتیکی به وجود می آید نیروی رانش الکتروستاتیکی با معکوس توان دوم فاصله و نیروی جاذبه واندروالسی با معکوس توان سوم تا ششم فاصله در ارتباط است .

علاوه بر تشکیل لایه باردار در سطح رسوبات در حین سنتز ،یک لایه باردار دوبل در اطراف ذرات ایجاد می شود . این کار از طریق تنظیم ph محلول و یا جذب مولکول های باردار فعال کننده سطحی وسط سطح ذرات انجام میگیرد . در این گونه موارد در حد مشخصی از ph که به نقطه ایزوالکتریک معروف است و در آن ذرات هیچ گونه بار الکتریکی ندارد ،کلوخه ای شدن اتفاق می افتد .در مورد حلال های غیر آلی که یونیزاسیون در آنها رخ نمی دهد ،دافعه الکتروستاتیکی سهم ناچیزی در پایدارسازی ذرات ایفا میکند.در این گونه موارد ،به منظور پایدار سازی از شیوه های جدیدی که مبتنی بر استفاده از نیروهای فضایی ایجاد شده توسط مواد فعال کننده سطحی است ،استفاده می شود .

به دلیل حضور نیروی جاذبه واندروالس زیاد بین ذره ای و تمایل سیستم به کاهش انرژی سطحی خود نانوذرات تمایل دارند کلوخه ای شوند . در این راستا واژه لخته شدن به تشکیل کلوخه های قوی و به هم فشرده و واژه فلوکولاسیون به تشکیل کلوخه های ضعیف از ذرات اطلاق میشود . کلوخه ای شدن ذرات در فرایند تولید تنها مختص به یک مرحله نبوده و میتواند در هر یک از مراحل سنتز ،خشک کردن ،حمل و فرآوری رخ دهد .

به منظور کنترل پراکنده سازی در طول سنتز و همچنین پراکنده سازی ذرات ریز حاصل از سنتز میتوان از مواد فعال کننده سطحی استفاده نمود .فعال کننده های سطحی موادی هستند که انرژی یا کشش سطحی محلول را کاهش می دهند .مواد فعال سازسطحی ساختار دو گانه ای دارند به گونه ای که از دو گروه حلال گریز و حلال دوست تشکیل شده اند .

با توجه به مسائل بیان شده میتوان گفت پودرهای خشک نانوذرات به دلیل دارا بودن سطوح زیاد توسط نیروهای واندروالسی و همچنین برقراری پیوندهای هیدروژنی ،کلوخه ای میشوند .در مواردی که لازم است این کلوخه ها به صورت پراکنده شده در فرایند های بعدی مورد استفاده قرار گیرند ،عملیات جداسازی با به کار گیری روش هایی از قبیل آسیاب کاری و یا اعمال امواج فراصوت در محلول حاوی فعال کننده مناسب انجام میشوند .

 منبع : مواد نانو ساختار تالیف کارل ث کخ ترجمه مجید طاووسی ؛ اکبر حیدر پور؛ عباس طوقیان چهارسوقی