در دهه‌های اخیر، پژوهش‌های گسترده‌ای در زمینه‌ی سنتز نانوذرات انجام شده است. عمده‌ی این تحقیقات بر روی تولید نانوذرات با شکل کنترل‌شده، پایداری بالا و زیست‌سازگاری مطلوب متمرکز بوده‌اند. روش‌های متعددی برای سنتز این نانوذرات توسعه یافته است که شامل هیدروترمال، امولسیون، همرسوبی، سنتز مکانیکی-شیمیایی، واکنش حالت جامد در دمای بالا، سنتز الکتروشیمیایی، سل-ژل، روش احتراقی و سایر روش‌های نوین می‌شود. در این مقاله، به بررسی سنتز نانوذرات به روش همرسوبی خواهیم پرداخت.
روش همرسوبی در سنتز نانوذرات
روش همرسوبی یکی از پرکاربردترین روش‌های شیمیایی برای سنتز نانوذرات است. این روش به دلیل سادگی، هزینه‌ی کم، کنترل آسان بر اندازه و شکل ذرات، و امکان تولید نانوذرات در مقیاس بالا، توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده است. در این روش، فرآیند جوانه‌زنی و رشد ذرات نقش اساسی در تعیین خواص نهایی نانوذرات دارد که شدیداً تحت تأثیر شرایط رسوب‌گذاری قرار دارد.
عوامل مؤثر بر فرآیند همرسوبی
در این فرآیند، M می‌تواند شامل Fe²⁺، Mn²⁺، Co²⁺، Cu²⁺، Mg²⁺، Zn²⁺ و Ni²⁺ باشد. رسوب کامل در pH بین 8 تا 14 با نسبت استوکیومتری (Fe³⁺/M²⁺) 2:1 در محیط اکسیژن غیر اکسیدکننده مورد انتظار است. اندازه، شکل و ترکیب نانوذرات مغناطیسی به شدت به عوامل زیر وابسته هستند:
- سرعت همزدن (Stirring rate)
- دمای واکنش
- ماهیت قلیایی محلول
- سرعت افزودن واکنش‌دهنده‌ها
- زمان هضم
- pH واکنش
- نوع نمک‌های استفاده‌شده (کلرید، سولفات، نیترات)
- نسبت یون‌های Fe³⁺/M²⁺
- اتمسفر گازی حین واکنش (مثلاً استفاده از گاز نیتروژن برای جلوگیری از اکسیداسیون ناخواسته)
فرآیند سنتز نانو ذرات به روش همرسوبی معمولاً در محیط آبی و در حضور یون‌های فلزی دو یا سه ظرفیتی انجام می‌شود که طی آن، رسوب نهایی به شکل هیدروکسیدهای فلزی ظاهر شده و در اثر اعمال شرایط خاص به نانوذرات فریتی تبدیل می‌شود.
مواد اولیه و تجهیزات مورد نیاز
مواد شیمیایی:
- کلرید آهن (III) آبدار: FeCl₃·6H₂O
- کلرید کبالت (II) آبدار: CoCl₂·6H₂O
- هیدروکسید سدیم: NaOH
تجهیزات آزمایشگاهی:
- بالن سه دهانه
- کندانسور
- کپسول گاز نیتروژن و متعلقات آن
- همزن مغناطیسی
- دماسنج
- دستگاه سانتریفیوژ
- دستگاه اولتراسونیک
- pH متر
روش سنتز نانوذرات به روش همرسوبی
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. این توضیحات به صورت مرحله به مرحله در زیر آورده شده است
- تهیه‌ی محلول‌های اولیه:
- 10 میلی‌لیتر محلول 1 مولار کلرید کبالت
- 10 میلی‌لیتر محلول 2 مولار کلرید آهن
- 120 میلی‌لیتر محلول 0.66 مولار NaOH
- مخلوط کردن و کنترل دما:
- محلول‌های FeCl₃ و CoCl₂ را با هم مخلوط کرده و در دمای 60°C گرم نگه می‌داریم.
- اضافه کردن محلول قلیایی:
- محلول NaOH را تحت همزن مغناطیسی با دور یکنواخت (1200 rpm) به محلول مخلوط شده اضافه می‌کنیم.
- تشکیل رسوب و تبدیل به فریت:
- در این مرحله، نمک‌های فلزی به هیدروکسیدهای مربوطه تبدیل می‌شوند:
- سپس، این هیدروکسیدها در اثر اعمال دما به ساختار فریتی (CoFe₂O₄) تبدیل می‌شوند:
- نگهداری در دمای بالا:
- محلول برای 1 ساعت در دمای 85°C گرم نگه داشته می‌شود تا تبدیل به فریت کامل شود.
- کنترل pH و بررسی تشکیل نانوذرات:
- pH محلول باید بالاتر از 11 باشد.
- آزمایش مغناطیسی با آهنربا می‌تواند نشان‌دهنده‌ی تشکیل نانوذرات فریتی باشد.
- جدا‌سازی و خالص‌سازی نانوذرات:
- رسوب با استفاده از سانتریفیوژ (5000 دور در دقیقه، 15 دقیقه) از محلول جدا می‌شود.
- سپس طی چندین سیکل، ابتدا با آب مقطر و سپس با استون شسته می‌شود.
- در نهایت، نانوذرات در دمای اتاق خشک می‌شوند.
نتیجه‌گیری سنتز نانو ذرات به روش همرسوبی
سنتز نانو ذرات به روش همرسوبی یکی از ساده‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای تولید نانوذرات فریتی است. این روش به دلیل هزینه‌ی پایین، سادگی، عدم نیاز به تجهیزات پیچیده و امکان تولید در مقیاس بالا، به‌عنوان یکی از روش‌های مهم در تولید نانوذرات مغناطیسی شناخته می‌شود. کنترل دقیق pH، دما، غلظت واکنش‌دهنده‌ها و سرعت همزدن از عوامل کلیدی در دستیابی به نانوذراتی با اندازه و مورفولوژی یکنواخت محسوب می‌شود. این نانوذرات می‌توانند در حوزه‌های مختلفی از جمله دارورسانی، تصویربرداری پزشکی، ذخیره‌سازی داده‌ها و کاتالیست‌ها کاربرد داشته باشند.