در دهه های اخیر تحقیقات زیادی برای سنتز نانو ذرات توسعه داده شده و اکثر گزارشات سنتز مؤثر به سمت تولید نانوذراتی با شکل کنترل شده، پایدار و زیست سازگار را شرح داده اند. معمولترین روشهایی که امروزه برای سنتز نانو ذرات با ساختار اسپینل فریت توسعه یافته، هیدروترمال، امولسیون، همرسوبی، سنتز مکانیکی شیمیایی، واکنش حالت جامد در دمای بالا، سنتز الکتروشیمیایی، سل ژل، روش احتراقی و غیره را شامل می شوند. در این مقاله سنتز نانو ذرات به روش همرسوبی را بررسی می‌کنم.
در میان روش های سنتز مختلف، روش شیمیایی همرسوبی یکی از تکنیکهای چند منظوره است که به خاطر سادگی و قابلیت بهره وری آن یکی از نویدبخش ترین روشها است که بطور گسترده به دلیل انجام ساده آن و نیاز به مواد و روند کم خطرتر برای کاربردهای پزشکی استفاده میشود. روش همرسوبی جوانه زنی و رشد ذرات را شامل میشود که شدیداً تحت تأثیر شرایط رسوبگذاری هستند. این دو فرآیند جدایی ناپذیر و فوری شکل محصول نهایی را کنترل می کنند.
شناخت اثرات فاکتورهای مختلف همچون سرعت همزدن، دما، ماهیت قلیایی، سرعت افزودن، زمان هضم، PH واکنش دهنده ها و غیره در همرسوبی برای بدست آوردن نانو ذرات با اندازه و شکل مطلوب مهم است. واکنش همرسوبی تحت اتمسفر خنثی در دمای اتاق یا دمای بالا رونده انجام می گیرد. نانو ذرات اکسید آهن و فریت ها معمولاً در واسطه ای آبی تهیه میشوند و واکنش تشکیل به صورت معادله زیر نوشته میشود.
که در آن M می تواند Fe2+، Mn2+، Co2+، Cu2+، Mg2+، Zn2+ و Ni2+ باشد. رسوب کامل در PH در سطح 8 تا 14 با نسبت استوکیومتری (Fe3+/M2+) 2:1 در محیط اکسیژن غیر اکسید کننده مورد انتظار است. اندازه، شکل و ترکیب نانو ذرات مغناطیسی بسیار وابسته به نوع نمک های استفاده شده ( به عنوان مثال کلرید، سولفات، نیترات) است، نسبت M2+/Fe3+، دمای واکنش، مقدار PH همچنین سرعت هم زدن ، استحکام یونی واسطه با افزودن متوالی و حباب زدن گاز نیتروژن همه بسیار مهم هستند.
سنتز نانو ذرات به روش همرسوبی
مواد اولیه و تجهیزات
برای تولید این نانو ذرات به تعدادی نمک های شیمیایی و تجهیزات آزمایشگاهی نیازداریم دراینجا قصد داریم نانو ذرات فریت کبالت را تولید کنیم. مواد مورد نیاز عبارتند از:
- کلرید آهن آبدار (FeCl3.6H2O )
- کلرید کبالت آبدار (CoCl2.6H2O )
- هیدروکسید سدیم (NaOH)
تجهیزات مورد استفاده برای سنتز نانو ذرات به روش همرسوبی عبارتند از:
- بالن سه دهانه
- کندانسر
- کپسول گاز نیتروژن و متعلقات آن
- استیرر یا همزن مغناطیسی
- دماسنج
- دستگاه سانتریفیوژ
- دستگاه اولتراسونیک
- دستگاه اندازه گیری PH
روش سنتز نانو ذرات به روش هم رسوبی
برای سنتز نانو ذرات به روش همرسوبی، ابتدا محلول‌های آبی از کلرید آهن و کلرید کبالت تهیه میشود (ml 10 از محلول M 1 کلرید کبالت، ml 10 محلول M 2 کلرید آهن ) (توجه کنید که تهیه محلول ها بر اساس قوانین شیمی و رابطه M1V1=M2V2 صورت می گیرد). سپس این محلول‌ها با هم مخلوط شده و در دمای C°60 گرم نگه داشته میشوند. این مخلوط را به محلول هیدروکسید سدیم (ml 120 محلول سود M 66/0) تحت همزن مغناطیسی با دور یکنواخت rpm 1200 فوراً اضافه میشود.
نانو ذرات فریت با تبدیل نمک‌های فلزی به هیدروکسید و به دنبال آن تبدیل گروههای هیدروکسید به فریت تشکیل میشود. در مرحله اول هیدروکسیدهای جامد فلزی به شکل ذرات ریز از طریق همرسوبی کاتیون‌های فلزی در محیط قلیایی ایجاد میشوند.
محلول جامد از هیدروکسیدهای فلزی در اثر قرار گرفتن در محیط قلیایی و اعمال حرارت به فرم فریت تبدیل میشود:
نانوذرات فریت با تبدیل نمک‌های فلزی به هیدروکسید و به دنبال آن تبدیل گروههای هیدروکسید به فریت، تشکیل میشوند. در مرحله اول هیدروکسیدهای جامد فلزی به شکل ذرات ریز از طریق همرسوبی کاتیون‌های فلزی در محیط قلیایی ایجاد میشوند. سپس محلول به مدت h 1 در دمایC°85 نگهداری میشود. این مدت زمان برای تبدیل همه گروههای هیدروکسیل به ساختار اسپینل فریت کافی است.
در اینجا با اندازه گیری PH محلول از تشکیل نانوذرات مطمئن می شویم این مقدار PH باید بالای 11 باشد. همچنین با استفاده از یک آهنربا می توان میزان تشکیل نانو ذرات را بصورت ساده و چشمی اندازه گیری کرد. پس از تشکیل رسوب با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ 5000 دور در دقیقه به مدت 15 دقیقه رسوب از محلول جدا می‌گردد. پس از آن طی چند سیکل پی در پی به ترتیب با استفاده از آب مقطر و سپس استون رسوب شستشو داده میشود. و پس از شستشو با استون با قرار دادن ذرات در دمای اتاق آن را خشک می‌نمایند.