عضو شوید
عضویت سریع
آمار
وب سایت:
آمار مطالب
آمار بازدیددر این فرآیند با استفاده از مواد اولیه، ابتدا سُل تشکیل میشود. سُل محلولی کلوئیدی، حاوی ذرات معلّق است. بعد از این واکنش، ژل تشکیل میشود. ژل سوسپانسیونی است که شکل ظرف را به خود میگیرد و خواص کشسانی از خود نشان میدهد. از مزایای این روش میتوان 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، میتوان 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 میگیرد، الکوکسی سیلان نام دارد. این ماده از تأثیر شبه فلزات بر الکل تهیه میشود. 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 میتوان به محصولاتی با خلوص بالا در مدت زمان کوتاه دست یافت. از سیلیسیلت سدیم نیز میتوان 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 نمیشود، 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 میکنیم. از طرف دیگر، واکنش دو مادة آب و الکوکسی سیلان بسیار کُند است و با افزودن الکل، سیستم رقیق‌تر هم میشود. در نتیجه سرعت واکنش باز هم کاهش می‌یابد. برای افزایش سرعت واکنش، میتوان از کاتالیزور استفاده کرد. کاتالیزوری را که برای انجام سریع این واکنش مورد استفاده قرار میدهیم 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 میکنند و نیروی دافعة جرمی باعث میشود که ذرات جدا از هم باقی بمانند. در محیط اسیدی ذرات در اندازة 2 تا 4 نانومتر متوقف میشوند، ولی در ادامة فرآیند به‌سرعت به هم میپیوندند و ذرات بزرگتر را تشکیل میدهند.
برای سنتز نانوذرات سیلیس، از کاتالیزور آمونیاک استفاده میشود. 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 میشوند که دیگر نمیتوان 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 میافزاییم و با هم زدن، سیستم را کاملاً همگن میکنیم. 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 میشود. در این فرآیند گروه هیدروکسیل جایگزین گروه کربوکسیل میشود. این واکنش همان‌طور که گفته شد در محیط آبی طبق معادلة زیر انجام میشود.
بعد از هیدرولیزِ محصولات، چگالش طبق معادلة زیر آغاز میشود.
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 درمیآید. سازوکار هیدرولیز به این صورت است که اکسیژن آب به اتمهای سیلیکون حمله میکنند. آب ابتدا به شکل یونهای +H و ¯OH در می‌آید و گروه الکوکسی نیز به صورت -(OR) و Si(OR)3+ تفکیک میشود. سپس -(OH) ناشی از هیدرولیز آب جایگزین OR- ناشی از هیدرولیز الکوکسی میشود.
باید خاطرنشان کرد که سرعت این واکنش با افزودن کاتالیزور تغییر میکند. 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 میکند 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 میشوند.
بعد از فرآیند هیدرولیز، مونومرها و دی‌مرهای تشکیل میشوند و به هم میپیوندند. در این هنگام است که پلیمریزاسیون آغاز میشود. این مرحله ممکن است به این صورت رخ دهد:
1ـ سازوکاری که منجر به تشکیل آب میشود:
2 Ho Si (OR)3 ==> (OR)3 + H2O
2 ـ سازوکاری که منجر به تشکیل الکل میشود:
2 Ho Si (OR)3 ==> (OR)2 OH SiOSi (OR)3 + HOR
با افزایش پیوندهای سیلوکسان، مولکولهای منفرد به یکدیگر میپیوندند و تشکیل سُل میدهند. سپس دانههای تشکیل‌شده به یکدیگر میپیوندند و تشکیل یک شبکة سه‌بُعدی را که همان ژِل است، میدهند.
با خشک کردن این محلول، میتوان 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 میتواند 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 میتوان این فرآیند را ادامه داد و در شبانه‌روز به مقدار قابل توجهی از آن در آزمایشگاه تولید کرد.
