نانو مواد متخلخل
چکیده
نانو مواد متخلخل برحسب اندازه حفرات شان به سه دسته تقسیم می شوند. این نانوساختارها کاربرد وسیعی در صنعت یافته اند؛ خصوصا هرجا که به جذب بالا نیاز باشد. سطح ویژه‌ی بالا، گزینش پذیری شکل و اندازه از مهم‌ترین ویژگی‌های این مواد است. پیشرفت این مواد در آینده وابسته به ساخت مواد نانو متخلخل مهندسی‌شده و کنترل‌شده برای کاربردهای موردنظر است. زئولیت ها، کربن و سیلیکای نانومتخلخل، از مهم‌ترین ساختارهای نانومتخلخل هستند.
تعداد کلمات 1200 زمان مطالعه6 دقیقه
 
رضیه برجیان

نانوساختارهای متخلخل

در طی دهه‌های گذشته، تلاش‌های زیادی برای گسترش مواد جدید به‌ویژه نانو ساختار انجام‌گرفته است. نانو ذرات به دلیل اندازه کوچک و سطح ویژه‌ای که دارند ویژگی‌های منحصربه‌فردی از خود نشان می‌دهند. مواد نانو ساختار بر اساس محدودیت‌های هندسی گروه‌بندی می‌شوند. در این گروه‌بندی مواد نانو ساختار به صفر بعدی مانند نانو ذرات فلزی، پلیمری و سرامیکی، یک‌بعدی مانند نانولوله‌های کربنی، نانوسیم‌های فلزی و نانو الیاف دوبعدی مانند نانوپوششها، سه‌بعدی مانند نانو چندسازه‌ها، فولرن، گرافن و نانوساختارهای کربنی تقسیم‌شده‌اند [1]. مواد نانومتخلخل (Nanoporous Materials) دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو بوده و بسیار متنوع می‌باشند. سطح ویژه‌ی بالا، گزینش پذیری شکل و اندازه (Size and Shape Selectivity) از مهم‌ترین ویژگی‌های این مواد است. پیشرفت این مواد در آینده وابسته به ساخت مواد نانو متخلخل مهندسی‌شده و کنترل‌شده برای کاربردهای موردنظر است. زئولیت ها (Zeolites)، کربن و سیلیکای نانومتخلخل، از مهم‌ترین ساختارهای نانومتخلخل هستند. رایج‌ترین روش سنتز این مواد نانومتخلخل، روش‌های بر پایه الگوست (Templated Synthesis). روش‌های مشخصه یابی، اندازه و شکل حفره‌ها را مشخص کرده و در بهینه‌سازی ساختار کمک می‌کند. استفاده از تخلخل‌های این مواد برای ساخت نانوکامپوزیت ها بسیار مهم و کاربردی است. مواد نانومتخلخل معدنی بسیار متنوع‌تر از مواد نانومتخلخل  آلی هستند.

مواد نانومتخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی (Permeability) زیاد، گزینش پذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها هست. با توجه به ویژگی‌های ساختاری، این مواد به‌عنوان تبادل‌گر یونی (Ion Exchanger)، جداکننده (Separator)، کاتالیزور، حس گر، غشا (Membrane) و مواد عایق استفاده می‌شوند و به سبب کاربردهای فراوان، روزبه‌روز نقش آن‌ها در نانوفناوری پررنگ‌تر شده است. مواد متخلخل با توجه قطر حفرات به سه دسته میکرو متخلخل( اندازه حفره بزرگ‌تر از دو نانومتر) ماکرو متخلخل( اندازه حفره بین 2تا50 نانومتر) و مزو متخلخل(اندازه حفره کمتر از دو نانومتر) طبقه‌بندی می‌شوند. اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مانند تیتانیم دی‌اکسید ، روی اکسید، آلومینا و منیزیم اکسید فعالیت بیشتری از حالت معمولی خود دارند. نانوذرات اکسید فلزی، با سطح ویژه و نقص‌های ساختاری بالا، قابلیت و ویژگی‌های بسیاری دارند. برای مثال، به نانوذرات متخلخل فلزی منیزیم اکسید می‌توان اشاره کرد.[2] از دیگر ساختارهای متخلخل غشاهای نانوحفره زئولیتی هستند که از آنها برای تخلیص دی متیل آمین می توان استفاده کرد. همین طور از این نانو غشاها در تصفیه آب و فاضلاب ، صنعت نفت و پتروشیمی نیز می توان استفاده نمود.[3]
 

تعریف تخلخل

نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده تخلخل (Porosity) نامیده می‌شود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 0.2 تا 0.95 باشد نیز مواد متخلخل (Porous)  می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز (Open Pore) نام دارد که برای صاف کردن (Filteration)، غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها :Chromatography) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته (Closed Pore)  می‌گویند که وجود آن تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی نداردحفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانه‌ای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش‌گوش (Hexagonal) هستند. هم‌چنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند[4]
 

 کاربردهای ساختارهای متخلخل

در دنیای نانو ، دیوارها و فضاهایی در ابعاد بسیار کوچک وجود دارند که از اتم‌ها و مولکول‌ها ساخته‌شده است. وقتی آرایه‌ای از مولکول‌ها در یک فضای محدود جای می‌گیرند، دچار فشار (Stress) می‌شوند که درنتیجه آن از ساختارهای پایدار سینتیکی و ترمودینامیکی خود منحرف‌شده و انرژی تبدیلات و واکنش‌های شیمیایی آن‌ها دگرگون می‌شود. زمانی که یک مولکول خارجی (مولکول میهمان) وارد چنین فضاهایی می‌شود، با مولکول‌های سازنده فضا برهمکنش نموده و همین امر می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی بر جهت‌گیری (Orientation)، برهمکنش (Interaction) و انباشتگی (Assembly) آن‌ها بگذارد. درنتیجه می‌توانیم با ایجاد تغییر در شکل و مواد به‌کاررفته در دیواره فضاهای نانوساختار ، رفتار و واکنش‌پذیری مولکول‌های میهمان را کنترل کنیم. فضاهای تقسیم‌شده توسط اتم‌ها و مولکول‌ها می‌توانند نقش جدیدی بر اساس شکل و خواص دینامیکی دنیای نانو ایجاد کنند. در پایان قرن گذشته شیمیدانان بر روی چهارچوب‌های ابر مولکولی ساخته‌شده از مولکول‌ها تمرکز کرده بودند ، اما در قرن بیست و یکم با خلق فضاهایی متنوع ، بخش جدیدی از شیمی فضای نانو را معرفی کردند.[5]
 

 سیلیکای متخلخل

اولین بار در سال 1992 ،پژوهشگران شرکت موبیل آمریکا روش تهیه مستقیم سیلیکای میان متخلخل با ساختار منظم را ارائه کردند. کاربردهای زیاد و متنوع این مواد منجر به گسترش و توسعه ساختارهای مختلفی از آن‌ها شد . به‌طورکلی، برای ساخت ذرات متخلخل سیلیکا از قالب یا هدایت‌کننده ساختار استفاده می‌شود. مولکول‌های این مواد در حلال، با غلظتی بیش از غلظت بحرانی میسل در کنار یکدیگر اجتماع کرده و میسل تشکیل می‌دهند  . در فرایند ساخت ذرات متخلخل سیلیکا، انتخاب قالب مناسب بیشترین اثر را بر شکل و اندازه مسیل‌های نهایی می‌گذارد. این مواد سطحی فعال دارند و سیلیکا می‌تواند روی سطح آن‌ها جذب‌شده و شکل بگیرد . در ذرات میان متخلخل سیلیکا، اندازه حفره‌ها به‌طور عمومی به‌اندازه زنجیر آبگریز عامل سطح فعال بستگی دارد. عامل سطح فعال ممکن است از نوع یونی یا غیریونی باشد. کوپلیمرهای قطعه‌ای از جمله مواد غیریونی )خنثی( هستند که می‌توانند به‌عنوان قالب عمل کنند. همچنین، می‌توان از کوپلیمرهای قطعه‌ای سه‌تایی محلول در آب نیز استفاده کرد که در این حالت اندازه حفره‌های ذرات میان متخلخل تا nm 30 نیز قابل‌افزایش است. بنابراین، از مزایای اصلی استفاده از کوپلیمرها به‌عنوان قالب می‌توان به ایجاد حفره‌های بزرگ‌تر و دیواره‌های ضخیم‌تر نسبت به سایر قالب‌ها اشاره کرد. پلی‌اتیلن اکسید، پلی متیل آکریالت و پلی استیرن پلیمرهایی هستند که به شکل دو قطعه‌ای و سه قطعه‌ای ممکن است، استفاده شوند.[6] با استفاده از سیلیکای متخلخل محققان کشورمان موفق شدند تجزیه آلاینده نیتروفنل را بهبود بخشند. این ماده در فاضلاب برخی از صنایع وجود دارد.[7]
پیشرفت این مواد در آینده وابسته به ساخت مواد نانو متخلخل مهندسی‌شده و کنترل‌شده برای کاربردهای موردنظر است.

منیزیم دی اکسید

منیزیم اکسید در طبیعت به شکل کانی پریکلاس متعلق به گروه فضایی Fm3m )مشابه نمک NaCl )است که آنیون‌های اکسیژن به‌صورت بسته‌های مکعبی با فشردگی شدید قرارگرفته‌اند و کاتیون‌های منیزیم تمام فضای بین شبکه‌ای هشت‌وجهی را پرکرده‌اند و عدد همسایگی برای کاتیون‌ها و آنیون‌ها 6 است. منیزیم اکسید کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های گوناگون دارد. ازاین‌رو، به‌تازگی  کارهای متعددی در مورد سنتز ساختارهای جدید نمک‌های منیزیم و منیزیم اکسید ازجمله نانوذره‌ها ،نانو میله‌ها  ،نانولوله‌ها ،نانو صفحه‌ها  ،نانو مکعب‌ها  ،نانوشبه‌گل‌ها و غیره انجام‌شده است. ساختارهای منیزیم اکسید به‌عنوان کاتالیست ،بستر کاتالیست، جاذب، حسگر ،فوتو لومینسانس ،عامل ضد باکتری، قالب برای سنتز سایر نانومواد، بهبوددهنده ویژگی‌های چندسازه‌ها  ،دارو رسان و بهبوددهنده ویژگی‌های الکتریکی تابلوهای نمایشگر پلاسمای جریان متناوب مورداستفاده قرار می‌گیرند. روش‌های متفاوتی مانند سل-ژل ،آبگرمایی ،رسوبدهی، روش صوت شیمی، استفاده از ماده فعال در سطح نرم،ماده فعال در سطح سخت و غیره برای تولید منیزیم اکسید وجود دارند.[8]
 

دی‌اکسید تیتانیوم

نانو تیتانیم اکسید فعالیت فتوکاتالیزوری پردامنه‌ای را بروز می‌دهد. به دلیل وجود نسبت بسیار بالای سطح  به حجم نانوذرات آن ممکن است نحوه آرایش کاملاً با توده تفاوت داشته باشد
افزون بر روش‌های سل- ژل اصلاح‌شده مانند قالب‌سازی با بسپار،اصلاح سطح ژل‌های مرطوب به کمک مواد آلی]3-١ ،]روش نوینی نیز برای سنتز نانو ذرات متخلخل بر مبنای فرایند متورم سازی قالب‌های بسپاری، از روش‌های سنتز این نانو ساختارهای متخلخل به شمار می‌آیند.[9] واضح است که با افزایش تخلخل، سطح مخصوص افزایش می‌یابد و فعالیت فوتوکاتالیست با افزایش سطحی که این عمل را انجام می‌دهد، بیشتر می‌شود.[10]
 

پی نوشت


[1] سنتز نانو-ماکرو ساختار منیزیم اکسید به روش آسان بدون استفاده از ماده فعال در سطح و بررسی کاربرد آن در رهایش داروی نیفدیپین،ص29.

[2] سنتز نانو-ماکرو ساختار منیزیم اکسید به روش آسان بدون استفاده از ماده فعال در سطح و بررسی کاربرد آن در رهایش داروی نیفدیپین،ص30.

[3] «ساخت آزمایشگاهی غشاهای نانو حفره زئولیتی»، فضای نانو،شماره19،ص44.

[4] http://edu.nano.ir/paper/63

[5] http://edu.nano.ir/paper/64

[6] سنتز ذرات میان متخلخل جدید سیلیکای SPB1  و SPB1,2  و بررسی ریزساختار و خواص فیزیکی آنها،محمد علی سمسارزاده،میلاد فردی،ص163

[7] ماهنامه فناوری نانو،آذر ماه 92،شماره9،ص8

[8] سنتز نانو-ماکرو ساختار منیزیم اکسید به روش آسان بدون استفاده از ماده فعال در سطح و بررسی کاربرد آن در رهایش داروی نیفدیپین،ص30.

[9] مروری بر روشهای سنتز و مشخصهیابی نانو ذرات تیتانیم اکسید متخلخل،48-49

[10] مروری بر روشهای سنتز و مشخصهیابی نانو ذرات تیتانیم اکسید متخلخل،)ص50.

منابع
سنتز ذرات میان متخلخل جدید سیلیکای SPB1  و SPB1,2  و بررسی ریزساختار و خواص فیزیکی آن‌ها،محمدعلی سمسارزاده،میلاد فردی، مجله علوم و تکنولوژی پلیمر، سال بیست و هفتم، شماره 2، صفحه 171-161 ،1393.
سنتز نانو-ماکرو ساختار منیزیم اکسید به روش آسان بدون استفاده از ماده فعال در سطح و بررسی کاربرد آن در رهایش داروی نیفدیپین، بیتا عابدی راد ،علی اکبر طرلانی،سعید جامه بزرگی،علی نیازی ، نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره 4 ،زمستان 96.
http://edu.nano.ir/paper/63
http://edu.nano.ir/paper/64
مروری بر روشهای سنتز و مشخصه یابی نانو ذرات تیتانیم اکسید متخلخل، مریم ذکریاپور نائینی، سارا حاجیزاده، سعید خداپرست،  محمد شمسی ، سارا خادم پیر، ایمان فرحبخش، نشریه مهندسی شیمی ایران ـ سال پانزدهم ـ شماره هشتاد و هفتم ،1395 .
«ساخت آزمایشگاهی غشاهای نانو حفره زئولیتی»، فضای نانو،شماره19،ص44.