تكنولوژي نانو پودر طلا و نقره

نگاه به فرآيندهاي شيميايي و بيولوژيكي از ديد نانومتري يعني در ابعاد اتمي اطلاعاتي به دست مي دهد كه بسيار راحت تر مي توان مسير حركتي آن را مشخص و خواسته ها و نظرهاي شخصي را در آن اعمال كدد. آنچه كه امروز تحت عنوان نانوتكنولوژي مطرح است آشنا شدن و كنترل كردن بسياري از پديده ها در ابعاد اتمي و آنگسترومي مي باشد.
پيشرفت هاي اخير در ساخت كربن تيوب، موتورهاي بيومولكولي، سنسورهاي با ابعاد باكتري، فيلترهاي ميكروني و ديگر موارد موجبات تغيير و تحول در علوم مختلف از جمله كامپيوتر، الكترونيك، هوافضا، بيوشيمي، محيط زيست، شيمي و ديگر علوم را فراهم آورده است. در اين زمينه، علم شيمي نيز بي بهره نبوده و با حضور روش هاي ميكروسكوپي و الكترودهاي با ابعاد نانومتر امكان بررسي ساختار و شناسايي بسياري از سطوح فلزي و غيرفلزي ميسر شده است.
اولين اثر كاهش اندازه ذرات افزايش سطح است، افزايش نسبت سطح به حجم نانو ذرات موجب مي شود كه اتم هاي واقع در سطح اثر بسيار بيشتري نسبت به اتم هاي درون حجم ذرات بر خواص فيزيكي ذرات داشته باشند. اين ويژگي واكنش پذيري نانو ذرات را به شدت افزايش مي دهد به گونه اي كه ذرات به شدت تمايل به اگلومره يا كلوخه اي شدن داشته باشند. به عنوان مثال در مورد نانو ذرات فلزي به محض قرار گيري در هوا به سرعت اكسيد مي شوند.البته اين خاصيت مزايايي هم در بر دارد. به عنوان مثال با استفاده از اين خاصيت مي توان كارايي كاتاليزور هاي شيميايي را به نحو موثري بهبود بخشيد ويا در توليد كامپوزيت ها با استفاده از اين ذرات پيوند هاي شيميايي مستحكم تري بين ماده زمينه و ذرات بر قراركرد. علاوه بر اين افزايش سطح ذرات فشار سطحي را تغيير داده و منجر به تغيير فاصله بين ذرات يا فاصله بين اتم هاي ذرات مي شود. فاصله بين اتم هاي ذرات با كاهش اندازه آن ها كاهش مي يابد. البته اين امر بيشتر براي نانو ذرات فلزي صادق است. درمورد نيمه هاديها و اكسيد هاي فلزي مشاهده شده است كه با كاهش قطر نانو ذرات فاصله بين اتم هاي آن ها افزايش مي يابد .اگر اندازه دانه باز هم بيشتر كاهش يابد تغييرات شديد ديگري نيز رخ مي دهد. از جمله اين تغييرات آن است كه اتم ها مي توانند خودشان را در هندسه هايي كه در جامدات توده اي غير ممكن است آرايش دهند.

*نانو مواد

نانو مواد به دو دسته كلي تقسيم مي شوند: نانو ذرات و مواد نانو ساختار(يا مواد نانو كريستال)و مواد نانو ساختار به نانوسيم ها و نانو لوله ها ، نانو لايه ها طبقه بندي مي شوند.
تغيير در فاصله بين اتم هاي ذرات و نسبت سطح به حجم زياد در نانو ذرات تاثير متقابلي در خواص ماده دارد.براي مثال تركيبات كاربيدي و نيتريدي پراكنده شده در يك ماتريس آمورف سختي هاي قابل مقايسه و يا بالاتر از الماس در مورد آن ها گزارش شده است.اين تغيير در فاصله بين اتم هاي انرژي آزاد سطح پتانسيل شيميايي را نيز تغيير مي دهد. اين امر در خواص ترموديناميكي ماده (مثل نقطه ذوب) تاثير گذار است. ملاحظه مي شود كه نقطه ذوب با كاهش اندازه ذرات كاهش مي يابد و نرخ كاهش ذوب در اندازه خيلي كوچك بسيار شديد است.

*روشهاي توليد نانو مواد

اصلي ترين روش هاي ساخت مواد نانو را مي توان در دو روش كلي 1- روش بالا به پايين و 2- روش پايين به بالا خلاصه نمود.
1.روش بالا به پايين:
در اين روش با استفاده از يك سري ابزارها، مواد از جسم حجيم جدا شده و جسم كوچك مي شود تا به اندازه هاي نانومتري برسد.
2. روش پايين به بالا:
اين روش درست در جهت مخالف روش بالا به پايين مي باشد. در اين روش مواد نانو با استفاده از به هم پيوستن بلوك هاي سازنده مانند اتم ها و مولكول ها و قرار دادن آنها در كنار يكديگر و يا استفاده از خودآرايي، توليد مي شوند. خودآرايي عبارت است از طراحي مولكول ها و ابرمولكول هايي كه اساس تشكيل آنها مكمل بودن شكل ساختاري است.بايد توجه داشت كه اتم ها و مولكول ها هميشه در جايي كه مورد نظر ماست قرار نخواهند گرفت و عاملي كه محل قرارگيري آنها را تعيين مي كند انرژي آنها است. به اين صورت كه مولكول ها در جايي قرار خواهند گرفت كه كمترين انرژي آزاد را داشته باشند و به سمت انرژي آزاد ( ) منفي تمايل دارند. انرژي آزاد در يك سيستم بوسيله استحكام پيوند و انتروپي تعيين مي شود.
روشهاي توليد انبوه كه در توليد مواد نانو متري به كار مي روند عبارتند از:
1.روش مكانيكي
2.روش سل-ژل
3.واكنش حالت هاي جامد-مايع
4.چگالش فاز گازي
1. روش مكانيكي
اين روش يك نمونه از روشهاي بالا به پايين مي باشد و براساس متلاشي شدن ساختار دانه هاي درشت استوار است.
تكنيك آلياژسازي مكانيكي روشي است كه در آن با استفاده از يك آسياب ساچمه اي انرژي بالا مخلوط پودرهاي مختلف را در سطح اتمي با يكديگر آسياب و تركيب مي كنند. با استفاده از اين تكنيك علاوه بر پودرهاي عنصري خالص از پودرهاي آلياژي و سراميكها، نظير اكسيدها، نيتريدها و غيره براي ايجاد آلياژها و كامپوزيتها استفاده مي شود
مكانيزمي كه در حقيقت بكار مي رود، مكانيزم سايش مكانيكي همراه با خرد شدن مي باشد.
شكست دانه ها در حقيقت به علت انرژي است كه به آنها انتقال داده مي شود، كه اين انرژي به سرعت دوراني (يا ارتعاشي)، محفظه، اندازه و تعداد توپ ها نسبت جرم توپ به ذرات، مدت سايش در حين فرآيند سايش بستگي دارد.
معايب اين روش نيز به شرح زير است:
•آلودگي و ناخالصي ناشي از ماده ساينده
•ايجاد ساختار خشن در پوردهاي توليدي.
•عدم يكنواختي در اندازه دانه ها.
•تركيب شيميايي غير يكنواخت.
2. سل_ژل
سل ژل عبارتست از يك فرايند خود آرايي خود به هم پيوستگي يا خود انباشتگي كه در طي آن نانو مواد تشكيل مي شوند .
. كلوئيدي كه در يك مايع معلق شده است سل ناميده مي شود.سوسپانسيوني كه شكل خودش را حفظ ميكند ژل ناميده شود. در نتيجه سل-ژل ها سوسپانسيون هايي از كلوئيد ها در مايعات مي باشند كه شكل را نگه ميدارند. فرايند سل_ژل همانطوري كه از نامش پيداست مستلزم تكميل تدريجي شبكه ها از طريق تشكيل يك سوسپانسون كلوئيدي(سل) و ژله اي شدن سل- براي تشكيل شبكه اي در يك فاز مايع پيوسته (ژل) مي باشد. پيش ماده هاي لازم براي سنتز اين كلوئيد ها عموما شامل يون هايي از يك فلز است اما گاهي اوقات ساير عناصر از طريق گونه هاي فعالي كه ليگاند ها ناميده مي شوند احاطه شده اند. الكوكسيد ها و الكوكسيلان ها بيشتر متداول مي باشند به دليل اين كه سريعا با آب وارد واكنش ميشوند. تشكيل سل_ژل در چهار مرحله به وقوع مي پيوندد:
1.هيدروليز
2. تراكم و پليمري شدن منومر ها براي تشكيل ذرات
3.رشد ذرات
4.به هم چسبيدن ذرات و توده اي شدن آن ها از طريق تشكيل شبكه هايي كه در ستاسر محيط مايع گسترش يافته اند سبب زخيم شدن آن ها مي گردد كه تشكيل يك ژل مي دهد.
3.واكنش حالتهاي جامد- مايع:
اين روش از برگرفتن رسوب دانه ها از فاز محلول استفاده مي شود و فرآيند آن بر پايه وجود هسته مورد نظر استوار است. براي مثال پودر دي اكسيد تيتانيم با اندازه هاي بين 70 تا 300 نانومتر با استفاده از اين روش، از تيتانيم تترا ايزو پروپوكسايد توليد مي شود.
4.چگالش فاز گازي
اين روش به طور كلي بر مبناي پيروليز ماده اصلي توليد نانو ذرات استوار است و فرايند آن بدين گونه است كه يك گاز حامل بي اثر و خالص وارد محفظه حاوي مايع اصلي توليد نانو ذرات مي شود. مايع در اين محفظه توسط يك مشعل تجزيه شده وبه وسيله گاز حامل به مبرد فرستاده مي شود. بخارات در مبرد سرد شده و به صورت دانه يا خوشه در مي آيد اندازه دانه هاي توليد شده در اين روش به عوامل زير بستگي دارد:
•نوع گاز بي اثر بكار برده شده.
•فشار گاز بي اثر.
•زمان باقي ماندن ذرات در محدوده رشد.
•نسبت نرخ تبخير به فشار بخار ماده تبخير شده.
مزايا:
•كنترل بهينه بر روي اندازه دانه ها.
•كنترل بهينه بر روي اندازه دانه ها.
•خلوص محصولات توليدي در سيستم هاي توليد خلاء بالا.
معايب:
بالا بودن قيمت تجهيزات وعدم امكان توليد در ابعاد صنعتي

*كاربرد هاي نانو ذرات

يكي از خواص نانو ذرات نسبت سطح به حجم بالاي اين مواد است. با استفاده از اين خاصيت مي توان كاتاليزور هاي قدرتمندي در ابعار نانو متري توليد نمود.اين نانو كاتاليزورها راندمان واكنش هاي شيميايي را به شدت افزايش داده و همچنين به ميزان چشم گيري از توليد مواد زايد در واكنش ها جلو گيري خواهند نمود.به كار گيري نانو ذرات در توليد مواد ديگر مي تواند استحكام آنها را افزايش دهد و يا وزن آن ها را كم كند. مقاومت شيميايي و حرارتي آن ها را بالا ببرد و واكنش آن ها را در برابر نور وتشعشعات ديگر تغيير دهد. با استفاده از نانو ذرات نسبت استحكام به وزن مواد كامپوزيتي به شدت افزايش خواهد يافت. اخيرا در ساخت شيشه ضد آفتاب از نانو ذرات اكسيد روي استفاده شده است.استفاده از اين ماده علاوه بر افزايش كارايي اين نوع شيشه ها عمر آن ها را نيز چندين برابر نموده است. از نانو ذرات همچنين در ساخت انواع ساينده ها رنگها و لايه هاي محافظتي جديد و بسيار مقاوم براي شيشه ها و عينك ها(ضد جوش و نشكن) كاشي ها و در حفاظ هاي الكترومغناطيسي شيشه هاي اتومبيل و در پنجره استفاده مي شود.پوشش هاي ضد نوشته براي ديوار ها و پوشش هاي سراميكي براي افزايش استحكام سلول هاي خورشيدي نيز با استفاده از نانو ذرات توليد شده اند. وقتي اندازه ذرات به نانو متر مي رسد يكي از خواصي كه تحت تاثير اين كوچك شدن اندازه قرار مي گيرد تاثير پذيري از نور و امواج الكترو مغناطيسي است. با توجه به اين موضوع اخيرا چسب هايي از نانو ذرات تو ليد شده اند كه كاربرد هاي مهمي در صنايع الكترونيكي دارند. نانو لوله ها در موارد الكتريكي مكانيكي اپتيكي بسيار مورد توجه بوده است مثلا كاربرد نانو لوله هاي طلا در الكترونيك و بيوشيمي و توليد آنها بر پايه محلول و فاز بخار كه روش رشد نانو لوله ها در قالب كه توسط Martin مطرح شد].
نانو لايه ها در پوشش هاي حفاظتي با افزايش مقاومت در خوردگي و افزايش سختي در سطوح و فوتوليز و كاهش شيميايي كاربرد دارد. نانو ذرات نيز به عنوان پيش ماده يا اصلاح ساز در پديده هاي فيزيكي و شيميايي مورد توجه قرار گرفته اند.
Haruta وThompson اثبات كردند كه نانو ذرات فعاليت كاتاليستي وسيعي دارند مثل تبديل مونو اكسيد كربن به دي اكسيد كربن ، هيدروژنه كردن استيرن به اتيل بنزن و هيدروژنه كردن تركيبات اولفيتي در فشار بالاو فعاليت كاتاليستي نانو ذرات مورد استفاده در سنسورها كه مثل آنتن الكتروني بين الكترود و الكتروليت ارتباط برقرار مي كنند در پيوست د ليست بعضي از شركت هايي كه بر روي نانو كار مي كنند آمده است.

*نانو طلا و كاربرد هاي آن

با توجه به مطالب فوق مشخص است كه تغيير خواص فيزيكي مواد با آرايش اتمي ، اندازه جامد (دريك ، دو و سه بعد) و تركيب شيميايي آنها ارتباط مستقيمي دارد. از گذشته نيز اثر ذرات كوانتومي روي خواص مواد مورد بررسي قرار گرفته بوده است.دركنار افزايش مطالعات بر روي خواص فيزيكي نانو ذرات به روش هاي مختلف نانوذرات فلزي توجه ويژه اي شد به ويژه در زمينه هسته گذاري ، رشد بلور و انباشتگي ذرات.دراين پروژه تهيه نانو ذرات فلزي طلا مورد اهميت بوده است كه از محلول حاصل از اسيد شوييكه در مرحله نهايي طلا به دست آمده است به ذرات نانو تبديل مي شود.نانو ذرات طلا در وسايل نوري و الكترونيك وبيوشيمي ، بيوتكنولوژي كاربرد فراوان دارد.از نانو ذرات طلا براي توليد الكترود با حساسيت و قابليت انتخابي بالا بر پايه خود آرايي نانو ذرات طلا و همچنين نشاندن ذرات طلا روي الكترود از طريق پيوندهاي كووالانسي يا الكتروستاتيكي يا الكتروشيميايي بررسي شده اند.به طور كلي نانو ذرات در الكتروشيمي به علت خواص فيزيكي و شيميايي خود مورد استفاده قرار گرفته اند همچنين استفاده از الكتروشيمي در نانو تكنولوژي بسيار مورد توجه بوده است،
كاربردهاي نانو ذرات طلا در شيمي به عنوان كاتاليزور در زير اشاره شده است:
1. پليمر همراه ذرات طلا در تبديل اپوكسيد به كربامات همراه دي اكسيد كربن.
2. استفاده از نانو ذرات طلا به عنوان كاتاليزور در تهيه پلي وينيل پيروليدين در آب . در اينجا اندازه ذرات طلا بسيار مهم است زيرا هر چه اندازه ذرات كوچكتر باشد فعاليت كاتاليتي بيشتري داردو اكسيژن بيشتري جذب مي كند
3. استفاده از نانو ذرات طلا به عنوان كاتاليزور براي بستن زنجيرهاي اولفيني به صورت حلقه و نشانه گذاري كردن DNA
4. استفاده از نانو ذرات طلاي پوشش داده شده اِن اكتان تيولات به همراه Rh – دي فسفين (كايرال) به عنوان كاتاليزور
5 تهيه نانو كلا سترهاي آنانتيومري طلا توسط گروه فعال تيول و پنيسيلين آمين كه براي تشخيص كايراليته بكار برده مي شوند.
6. افزايش قابليت اكسيداسيون فوتو كاتاليتي AgCl به وسيله ي ذرات طلا در اكسيداسيون آب
7. همچنين از خصوصيات نوري و دمايي پروب هاي نانو ذرات طلاي جدا از هم و مجتمع ، به عنوان يك روش تشخيص پزشكي استفاده مي گردد.

*نانو نقره و كاربردهاي آن

همانطور كه گفته شد،خواص فيزيكي ماده ارتباط مستقيم با تركيب شيميايي، آرايش اتمي و اندازه جامد دارد. در ارتباط با نانو ذرات گزارشات متعددي در خصوص تغييرات خواص فيزيكي در اثر كاهش اندازه ذرات ارائه شده است.
علم ذرات فلز با آزمايش فاراده آغاز شد. بعد از فاراده ذرات فلزي متفاوت در اندازه مختلف سنتز شد. در زمينه نانو ذرات فلزي ، هسته گذاري و رشد بلور و انباشتگي ذرات مورد توجه قرار گرفت.
دراينجا براي ما ساخت نانو ذرات نقره از بين بقيه فلزات بيشتر اهميت پيدا مي كند زيرا در محلول حاصل از اسيد شويي مقدار قابل ملاحظه نقره دور ريخته مي شود.در كار حاضر تلاش خواهد گرديد تا ضمن معرفي مواد نانوپودر نقره، به بررسي روش هاي مختلف براي تهيه نانوپودر نقره پرداخته شود. در توليد نانو ذرات نقره روشهاي مختلفي از جمله سنتز فلزي ، فوتوليز، الكتروشيميايي، كاهش شيميايي وجود دارد.
.روشهاي متعددي براي ساختن ذرات فلزي در ماتريس هاي سراميك و پليمرها نيز ارائه شده است .
نانو ذرات نقره يكي از پرمصرفترين مواد در مهندسي موادند. چون خاصيت چكش خواري ، ضد ميكروبي و هدايت الكتريكي و گرمايي بالايي دارند.
استفاده از نانو پودرهاي نقره توسط سر لوله هاي ميكرو الكترود و سيم هاي هادي در الكترونيك و همچنين استفاده از نانو نقره در سنسورهاي بيولوژيكي و فوتو شيمي هم بررسي شده است .
به دليل بالا بودن سطح مقطع نقره دراين مقياس ، در برخورد با سلولها خاصيت جالب توجهي از خود بروز مي دهند كه به ممانعت با متابوليسم سلولي از آن ياد مي شود و جلوي تنفس و رشد و تكثير هر گونه باكتري يا قارچ را مي گيرد و اثرات موثري در بهبود زخم ، تاول، خارش يا بيماري دارد.
محصولاتي كه امروزه از نانو نقره در آنها استفاده مي شود فراوانند همچون دام و طيور، كشاورزي ، باندهاي زخم ، ضد تاول ، لوازم جراحي ، ژلهاي مرطوب كننده ، ضد جوش ها ، در بهداشت زنان ، زايمان ، شلوارهاي طبي ، دستمال كاغذي و نيز كولرها ، يخچالها و غيره . نقره در ابعاد نانو بر متابوليسم ، تنفس و توليد مثل ميكرو اورگانيزم اثر مي گذارد.
ذرات نقره ريز استفاده زيادي در الكترونيك ، صنايع شيميايي و دندانپزشكي ، بخاطر مقاومت بالاي اكسايش و مقاومت در برابر فعاليتهاي باكتريايي دارد.
مكانيزم اثرگذاري نقره را به سه دسته زير مي توان تقسيم كرد:
الف : توليد اكسيژن فعال توسط نقره
ب : دگرگون ساختن ميكرو ارگانيزم
ج : افزايش بار مثبت نقره در ابعاد نانو كه موجب تخريب غشاء سلولي ميكرو اورگانيزم مي شود.
استفاده از نانو سيلور همراه با مواد مختلف از جمله الياف ، رنگ ، پليمر ، سراميك ما را قادر مي سازد محصولاتي توليد كنيم كه محيط زيست ما را عاري از ميكروب سازد و اين درحالي است كه ضرري را متوجه محيط زيست نمي كند.

*روش هاي توليد نانو طلاو نقره

1.سنتز فازبخار

سنتز فازبخار ذرات ، براي توليد نانو ذرات فلزي مناسب است به اين صورت كه مخلوط فاز بخار به طور ديناميكي ناپايدار است تا مواد در حد نانو تهيه شود ، ذرات به صورت همگن هسته گذاري مي كنند و بعد از يكبار مرحله هسته گذاري، بخار فوق اشباع باقي مانده به وسيله متراكم شدن و واكنش با ذرات باعث رشد ذره هامي شود، دراين جا رشد ذره بيش از مرحله هسته گذاري اتفاق مي افتد (درابتدا بايد بخار فوق اشباع تشكيل داد به اين صورت كه يك جامد را حرارت مي دهيم تا به صورت بخار در يك گاز پايه درآيد، سپس با يك گاز سرد آن را مخلوط مي كنيم تا دماي آن كاهش يابد بعد از اين مرحله بايد سيستم را خاموش كرد كه با برداشتن منبع بخار فوق اشباع يا كاهش سينتيكي واكنش انجام مي شود و از رشد ذرات جلوگيري مي شود.

2. الكتروشيميايي

براي تهيه نانو ذرات طلا و نقره از طريق روشهاي الكتروشيميايي نيز اقداماتي شده است كه سايز ذرات با تنظيم شدت جريان تغيير مي كند. در روشهاي الكتروشيميايي در توليد نانو ذرات اثرات پارامترهاي گوناگون مثل دما ، جنس كاتد ، اورولتاژ ، دانسيته جريان ، زمان ، نوع الكتروليت برروي اندازه و ساختار ذات بررسي شده است يكي از روش هاي سنتز نانو ذرات فلزي طي روش الكتروشيمي الكترو پالس است اين روش بر پايه استفاده از الكتروشيمي پالسي و شيمي صوت است و به تجهيزات بالا احتياج دارد . روشي براي جانشيني الكتروستاتيكي طلا روي سطح الكترود در الكتروشيمي و ايجاد باند بين طلا با تيولها و دي سولفيدها گزارش شده است.
رسوبگذاري الكتروشيميايي بر پايه ، سولفات ، كلريد ، برميد و يديد نقره انجام مي شود . در تمام موارد لايه اي از نقره تشكيل مي شود. از جمله فوايد روشهاي الكتروشيميايي براي تهيه نانو پودرها اين است كه به راحتي ايزوله و جدا مي شوند و محصول فرعي حاصل از ماده كاهنده را هم توليد نمي كنند و بسيار انتخابي عمل مي كنند. براي جلوگيري از جانشيني خود بخودي Ag+ روي سطح پتانسيل را بايد كنترل كرد.

3. فوتوليز:

سنتز نانو ذرات به روش پرتو كافت گاما نيز ميسر است طي اين كاهنده قوي بوجود مي آيد كه باعث كاهش يون فلز شده و عدد اكسايش فلز را به صفر مي رسانند

4. كاهش شيميايي

سنتز نانو ذرات توسط كاهش شيميايي در حضور يك پايداركننده مثل سورفاكتانتها و پليمرها (مثل پلي وينيل پيروليدين )بسيار معمول مي باشد. كه مي توان اندازه ذرات را با تغيير دما ، pH و كنترل هم زدن تغيير داد. با وجود سهولت در اين روش معايبي نيز وجود دارد مثل زمان انجام واكنش كه معمولا بسيار طولاني است
مرحله مهم در طول تهيه نانو ذرات در ابعاد مورد نظر ، كنترل رشد و جلوگيري از تجمع ذرات مي باشدكه به وسيله ي ليگاندها پليمرهاو يا سور فاكتانتها از رشد مي توان جلوگيري كرد.
واكنش هاي كاهشي با وجود سهولت معايبي نيز دارند كه مهمترين ان زمان انجام واكنش مي باشد كه معمولا بسيار طولاني است البته بعضي از كاهنده ها در دماي اتاق عمل مي كنند .
كاهش يون نقره با يك كاهنده مي تواند در دماي اتاق رخ دهد البته سرعت واكنش آنقدر كند است كه تشكيل اجزاي نقره ساعتها طول مي كشد. افزايش دماي واكنش منجر به زمان كمتر مي شود و اين تغيير مربوط به اختلاف پتانسيل بين اكسيداسيون حلال و كاهش گونه فلزي است.