معرفی روشهای سونوشیمیایی (فراصوت) برای سنتز نانومواد نویسندگان : 1- مریم مهرتاش 2-صابر زارع 3-محسن سروری
روش های نانو ساختارها رسوب دهی از فاز مایع ششم
مقدمه گوش انسانها تنها قادر به شنیدین محدوده کوچکی از فرکانسهای امواج صوتی است و به امواج صوتی که دارای فرکانسی بیشتر از بازه فرکانسی شنوایی انسان هستند، فراصوت (Ultrasound) گفته میشود. سونوشيمی در حقیقت بررسی اثرات امواج فراصوت بر فرایندها و واکنشهای شیمیایی است. امواج فراصوت کاربرد گستردهای در شروع واکنشهای شیمیایی (Initiation) و یا بهبود و تقویت آنها (Enhancement) پیدا کرده است.
مقدمه (ادامه) سونوشیمی را می توان برای سنتز ترکیبات مختلف و از ماده اولیههای فرار یا غیر فرار به کار برد، اما به طور کلی این واکنشها از طریق دو مکانیزم اصلی انجام میشوند؛ سونوشیمی اولیه: در سونوشیمی اولیه واکنش اصلی درون حباب در حال انفجار انجام می شود و پس از آن به محلول واکنش نفوذ (Diffuse) میکند. سونوشیمی ثانویه: در سونوشیمی ثانویه گونه های شیمیایی فعال (به عنوان مثال، رادیکال های حاصل از تجزیه ترکیبات در اثر اعمال امواج فراصوت به محلول) درون حباب در حال انفجار بوجود میآیند که به فاز مایع نفوذ کرده و با مواد اولیه محلول واکنش داده و محصول اصلی را ایجاد مینمایند.
مقدمه (ادامه)
دستگاههای فراصوت امروزه دستگاههای متفاوت و بسیار زیادی جهت انجام سنتزهای سونوشیمیایی در دسترس میباشد. این دستگاهها اگرچه از نظر عملکرد با یکدیگر تفاوتهایی دارند اما از نظر مکانیسم ایجاد امواج فراصوت ساختار مشابهی با یکدیگر دارند. ایجاد امواج فراصوت در این دستگاهها به وسیله ترکیباتی تحت عنوان پیزوالکتریک (Piezoelectric) صورت میگیرد که میتوان آنها را اصلیترین جزء آنها دانست. ترکیبات پیزوالکتریک ترکیباتی هستند که میتوانند انرژی الکتریکی را به یک موج مکانیکی (مثل صوت یا انرژی ناشی از فشار) و بالعکس تبدیل نمایند. یکی از شناخته شده ترین ترکیبات پیزوالکتریک، کوارتز (Quartz) است که خصلت پیزوالکتریک آن نیز بسیار بالاست و از همین رو کاربرد بسیار گسترده در موارد مختلف پیدا کرده است.
دستگاههای فراصوت ( ادامه) به طور کلی دستگاههای مورد استفاده جهت فرایندهای سونوشیمیایی به دو دسته میله ای (Probe) و حمام فراصوت (Ultrasonic Bath) تقسیم می شوند. دستگاههای میله ای معمولا از یک میله شیپور مانند (Horn) از جنس تیتانیوم بهره می برند که درون محلول واکنش قرار گرفته و امواج را به مایع منتقل می نماید. در حالیکه حمامها عموما بهصورت یک محفظه هستند که عنصر پیزوالکتریک در زیر سطح داخلی مخزن آنها قرار گرفته است.
برخی کاربردهای غیر سنتزی امواج فراصوت امروزه روشهای مبتنی بر استفاده از امواج فراصوت کاربردهای بسیار زیادی در بخشهای مختلف پیدا کردهاند و از گستردگی زیادی نیز برخوردارند که شاید اصلیترن آنها استفاده از این امواج در سنتز ترکیبات مختلف باشد. از جمله کاربردهای غیر سنتزی امواج فراصوت می توان به موارد زیر اشاره نمود: کاربردهای درمانی، پزشکی و دارویی بررسی کیفیت سبزیجات، میوهها و دیگر محصولات کشاورزی کاربرد در صنایع غذایی همگن سازی محلولها مهپاشی (Nebulization) محلولها پاکسازی سطوح تصفیه آب و فاضلاب کاربردهای زیست محیطی کاربرد درصنایع پلیمرسازی
همگن سازی زمانی که یک دستگاه سونوشیمی برای همگن سازی مورد استفاده قرار می گیرد، هدف اصلی کاهش اندازه ذرات کوچک موجود در محلول برای دستیابی به پایداری (Stability) و یکنواختی (Uniformity) بیشتر است. این کاهش اندازه ذرات همراه با افزایش تعداد ذرات (در اثر شکستن ذرات به ذرات کوچکتر به خاطر اعمال امواج فراصوت) و همچنین افزایش مساحت سطح خواهد بود. در همگن سازی سونوشیمیایی در اثر فرایند حفره زایی و انفجار حبابها، جریان از مایع با سرعت زیاد به صورت موضعی ایجاد میشود که با برخورد به ذرات موجود در محلول موجب واپاشی آنها میشود.
پاکسازی سطوح یکی از کاربردهای امواج فراصوت که بیشتر مورد توجه صنایع قرار گرفته است، فرایند پاکسازی سطوح با استفاده از این امواج فراصوت است که هیچ اثر زیست محیطی مضری از خود نشان نمیدهد. در این کاربرد فرایند حفره زایی آلودگیهای موجود بر روی سطح (مثل گرد و غبار، روان کنندههایی مثل روغن، گریس و...) را از سطح جدا مینماید که به وسیله جریانی از آب شسته میشود. پاکسازی سونوشیمیایی بر اساس یک اثر فیزیکی مشخص صورت میگیرد که باعث شده بر خلاف روشهای شیمیایی بتوان از آن برای پاکسازی سطوحی چون سطوح فلزی (فولاد، مس، آلومینیوم، آهن و...)، سطوح شیشه ای و حتی سطوح پلاستیکی بهره گرفت.
تصفیه آب و فاضلاب در سالهای اخیر استفاده از امواج فراصوت برای تصفیه آب و فاضلاب کاربرد گستردهای پیدا کرده است. از جمله این کاربردها میتوان به مواردی همچون تخریب (Degradation) آلاینده های آلی موجود در آب، رفع آلودگی های رسوبی (Sediments)، گندزدایی و ضدعفونی کردن (Disinfection) آب، کمک به فرایندهای غشایی و همچنین پاکسازی غشاها جهت جلوگیری از ایجاد رسوب در غشاء، کاهش آلودگیهای میکروبی و باکتریایی و... اشاره نمود که برخی از آنها بر اساس خواص فیزیکی (حفرهزایی و میکروجت) و برخی دیگر نیز بر اساس خواص شیمیایی (تولید رادیکال های آزاد در محلول) ناشی از امواج فراصوت استوار هستند.
مهپاشی محلول ها مهپاشی به معنای تبدیل یک مایع به یک غبار ریز یا آئروسل (Aerosol) میباشد (مانند اتفاقی که در یک آب پاش یا اسپری اتفاق می افتد). متداولترین نوع مهپاشها که تحت عنوان مهپاشهای بادی شناخته میشوند، با استفاده از یک جریان گاز بی اثر با فشار زیاد مایع عمل میکنند که قادر است مایع را به صورت غبارات ریز در آورد؛ در شکل بعد چند نمونه از آنها قابل مشاهده هستند. در این مهپاشها میزان هدر رفت محلول زیاد است، احتمال گرفتگی و مسدود شدن آنها وجود دارد و همچنین در برخی موارد غبار تولید شده توسط آنها یکنواختی زیادی ندارد. از همین روی مهپاشهای فراصوت برای حذف این مشکلات توسعه یافته اند که در آنها نمونه به روی یک سطح پیزوالکتریک در حال نوسان ریخته شده، به صورت غبارات بسیار ریز در آمده و توسط یک گاز بی اثر حمل میشود.
چند نمونه از مهپاش های بادی متداول الف) لوله هم مرکز، ب) جریان متقاطع، ج) صفحه متخلخل و د) بابینگتون.
سنتز نانومواد با امواج فراصوت یکی از موردتوجه ترین کاربردهای سونوشیمی، سنتز نانومواد است. دلیل این توجه خاص، اثرات امواج فراصوت روی واکنش های سنتزی است. از این جمله میتوان به موارد زیر اشاره کرد: افزایش سرعت و بازده واکنش استفاده بهینه از انرژی، فعال سازی سطوح فلزی و جامدات ایجاد بهبودهایی در سنتز نانو ذرات توانایی ایجاد پوشش همگن نانو ذرات برروی بسترهای مختلف و... همچنین علاوه بر موارد فوق میتوان به بهبود عملکرد کاتالیزورهای انتقال فاز و در برخی موارد حذف نیاز به کاتالیزور انتقال فاز در هنگام استفاده از امواج فراصوت نیز اشاره نمود.
سنتز نانومواد با امواج فراصوت (ادامه) مکانیسم شکل گیری و رشد نانومواد با استفاده از روشهای سونوشیمیایی و بهره گیری از امواج فراصوت را بر اساس 3 مرحله کلی توضیح داده میشود: هسته زایی (Nucleation)؛ که طی آن و در اثر اعمال امواج فراصوت، واکنش میان مواد اولیه منجر به تشکیل هسته های اولیه میشود. رشد ذرات (Growth)؛ که طی آن مواد اولیه به سطح هسته های اولیه نفوذ کرده و بعد از واکنش با یکدیگر روی سطح آن رسوب می کنند و بدین ترتیب به آن متصل میشوند. رسیدن به اندازه مورد نظر و جداسازی از محلول حاوی مواد اولیه جهت جلوگیری از افزایش اندازه نانوذرات و کنترل خواص آنها. با فهم فرایندهایی که در هر مرحله اتفاق می افتد و تنظیم دقیق شرایط واکنشها و همچنین پارامترهای موثر بر هر مرحله، می توان تشکیل و رشد نانوذرات را به خوبی کنترل نمود تا به ساختار و اندازه مورد نظر دست یافت.
کاربردهای خاص روش سونوشیمی برای برخی فرایندها در فناوری نانو الف) آمادهسازی محصولات بی نظم یا آمورف (Amorphous) فلزات آمورف را میتوان بوسیله خاموشی سرد (cold quenching) بدست آورد که مستلزم استفاده از موادی برای بهبود ترکیب مواد اولیه است اما زمانی که از امواج فراصوت استفاده میشود، به افزودن مواد جانبی به منظور بی نظم کردن محصولات نیازی نخواهد بود. ب) بارگذاری نانومواد در مواد متخلخل (mesoporous materials) مطالعات انجام شده در این زمینه نشان می دهد که میتوان بوسیله امواج فراصوت نانوذرات را به صورت یک لایه صاف و همگن بر روی دیواره داخلی ترکیبات متخلخل قرار داد، بدون آنکه حفرات آنها را مسدود نمایند و در مقایسه با روش های دیگر مانند انتشار حرارتی (Thermal spreading) و... سونوشیمی خواص بهتری نشان می دهد.
کاربردهای خاص روش سونوشیمی برای برخی فرایندها در فناوری نانو (ادامه) ج) رسوب نانوذرات بر روی سطوح سرامیک و پلیمری سونوشیمی به منظور رسوبدهی نانومواد مختلف (فلزات، اکسیدهای فلزی، نیمه هادی ها) بر روی سطوح سرامیکی و مواد پلیمری مورد استفاده قرار گرفته و قادر است یک لایه پوشش همگن و صاف بر روی سطح ایجاد نماید. طی این روش، نانوذرات با ایجاد پیوندهای شیمیایی یا فعل و انفعالات شیمیایی به سطح بستر متصل شده و با شستن حذف نمی شود. د) ساخت میکروکرهها و نانوکرههای پروتئینی (proteinaceous micro- and nanospheres) اخیرا تحقیقات ثابت کرده است که میتوان توسط امواج فراصوت پروتئین ها را در زمان کوتاهتری نسبت به روش های دیگر به صورت کروی درآورد. این روش میتواند در قرار دادن یک دارو را داخل کرههای پروتئینی (Capsulation) بسیار موثر باشد.
نتیجه گیری سونوشیمی یا استفاده از امواج فراصوت برای انجام واکنشهای شیمیایی، به عنوان یک ابزار بسیار قدرتمند در کاربردهای مختلف از جمله سنتز نانوساختارهای مختلف شناخته میشود و امروزه کاربرد بسیار گسترده ای در بخشهای مختلف پیدا کرده است. کاربردهای ایجاد شده برای امواج فراصوت عموما بر اساس اثرات فیزیکی ناشی از آن و یک پدیده فیزیکی به نام حفره زایی است و در برخی موارد هم بر اساس اثرات شیمیایی آن و تولید رادیکال های آزاد در محلول. حفره زایی شامل ایجاد، رشد و انفجار یک سری حبابها در محلول در اثر اعمال امواج فراصوت می باشد و منجر به ایجاد دمای موضعی بسیار بالا در محلول میشود که شرایط مناسبی برای انجام واکنشهای شیمیایی مختلف مخصوصا سنتز نانوذرات میباشد.
مراجع http://www.scs.illinois.edu/suslick/sonochembrittanica.html Mason, T.J. and J.P. Lorimer, Applied sonochemistry. The uses of power ultrasound in chemistry and processing, 2002: p. 1-48. Xu, H., B.W. Zeiger, and K.S. Suslick, Sonochemical synthesis of nanomaterials. Chemical Society Reviews, 2013. 42(7): p. 2555-2567. http://www.hielscher.com/homogenize_01.htm. http://www.hielscher.com/wire_01.htm. Chen, D., S.K. Sharma, and A. Mudhoo, Handbook on applications of ultrasound: sonochemistry for sustainability. 2011: CRC press. Skoog, D.A. and D.M. West, Principles of instrumental analysis. Vol. 158. 1980: Saunders College Philadelphia. http://edu.nano.ir/index.php?actn=papers_view&id=75. Nowak, F.M., Sonochemistry: Theory, Reactions, Syntheses, and Applications. 2010: Nova Science Publishers