سنتز نانو ذرات نقره ، جلسه دوم

هدف: شامل اهداف آموزشی و پژوهشی آشنایی دانش آموزان با روشهای تولید مواد نانو ساختار

فعالیت: مطالعه روشهای فیزیکی و شیمیایی تولید نانو مواد بخصوص روش کاهش شیمیایی و تهیه فایل پاورپینت از مطالب جلسه دوم

وسایل مورد نیاز:رایانه و در صورت امکان ویدیو پروژکتور

در جلسه گذشته, نگاه اجمالی بر فناوری نانو داشتیم که تا حدودی با الفبای آن آشنا شدیم. شاید بهتر باشد بگویم که ما فقط در پیرامون خود واژه نانو را میشنویم ولی این نانو در زندگی امروز بشر و حتی آینده جایگاه ویژه ای دارد. پس بهتر است بدانیم چگونه میتوانیم یک نانو ذره تولید کنیم که آن را در صنعت و پزشکی مورد استفاده قراردهیم.

تکلیف : روش های تولید نانو ذرات نسبتاً متنوع هستند و در طی چند سال گذشته پیشرفت زیادی را داشته اند. میخواهم شما دانش آموزان عزیز به چند گروه تقسیم شوید و هر گروه با تهیه فایل پاور پینت در مورد  یکی از روشهای تولید و سنتز نانو ذرات تحقیق کند و همچنین در مورد  اینکه هر روش دارای چه مزیت و معایبی نسبت به سایر روشها است، بحث کنید.
 
پتانسیل های فراوانی كه برای كاربرد نانوذرات در دنیای فناوری وجود دارد موجب پیدایش تحقیقات فراوانی برای یافتن راههای جدید تولید این مواد و بر طرف ساختن مشكلات موجود در مسیر تولید آنها شده است. از جمله مشكلات عمده ای كه در تولید نانوذرات وجود دارد می توان به هم پیوستن ذرات یا کلوخه ای شدن  آنها و نیز اكسایش سطح آنها را نام برد.

یكی از پارامترهای كلیدی در كیفیت نانو ذرات، كوچك بودن ابعاد آنهاست. لذا فرآیند تولید باید به گونه ای طراحی شود كه این ذرات به هم نچسبند و به اصطلاح كلوخه  نشوند زیرا این پدیده موجب رشد ناخواسته ذرات می شود. همچنین سطح تماس ذرات با كوچك شدن ابعاد آنها بالا رفته، موجب اكسید شدن سطح ذرات فلزی می شود و این پدیده در مواردی كه هدف ما تولید ذرات فلزی و غیر اكسیدی نظیر نیتریدها باشد، یكی از مشكلات است كه باید بر آن غلبه نمود.

اهمیت یافتن نانوذرات در دهه های اخیر نه تنها از اهمیت روش های قدیمی تولید ذرات نكاسته است بلكه خود باعث به وجود آمدن روش های نوینی در تولید این ذرات شده است. تولید نانوذرات به روش های ﺷﻴﻤﻴﺎﻳﻲ و ﻓﻴﺰﻳﻜﻲ بسیار متنوعی صورت می گیرد.

فناوری تولید نانوذرات ضمن تبعیت از دو رویکرد  بالا به پایین و پایین به بالا شامل محدوده وسیعی از فرایندها در حالت بخار، مایع و جامد میباشد. روشهای موجود برای ساخت نانوذرات از طریق بخار، گسترهای از روشهای رسوبدهی فیزیکی بخار و رسوبدهی شیمیایی بخار، روشهای مایع شامل؛ سل ژل و روشهای شیمیایی تر میباشد. همچنین در روش حالت جامد ازطریق آسیاب کردن مکانیکی انجام میگیرد. 

در ادامه مقایسه ای بین روشهای شیمیایی و فیزیکی انجام می دهیم:
به طور کلی سنتزهای شیمیایی شامل رسوب گیری (Precipitation) از فاز مایع (یا محلول) است. این روش ها در مقابل روش های مکانیکی سنتز نانومواد و روش های فیزیکی که معمولا رویکردهای بالا به پایین هستند، قرار می گیرند.
 در برخی متون این روش ها با نام روش های سنتز تر یا مرطوب و یا سنتز از فاز محلول نام گذاری می شوند. می توان گفت که در این حالت گونه های محلول به فرم شیمیایی نامحلول (یا کم محلول) تبدیل می شوند. روش های شیمیایی سنتز نانومواد، جزو رویکردهای پایین به بالا  محسوب می شوند، که در مقایسه با روش های فیزیکی اساسا به امکانات ساده تر و ارزانتری نیازمندند که این خود یک مزیت عمده در مقیاس تحقیقات آزمایشگاهی و همچنین تولیدات صنعتی محسوب می شود.

یکی از روشهای معمول سنتز نانو ذرات ، روش کاهش شیمیایی است که  به سبب سادگی روش تولید و همچنین توانایی  کنترل شکل و اندازه نانو ذرات روشی متداول برای ساخت نانو ذرات فلزی است. در این پروژه ما از این روش برای سنتز نانو ذرات کلوییدی  نقره استفاده میکنیم که در ادامه به تفسیر آن می پردازیم.

در این روش ما نیاز به یک عامل کاهنده و یک عامل پایدار کننده داریم که این عامل پایدار کننده از کلوخه شدن ذرات جلوگیری میکند. سنتز نانو ذرات توسط کاهش شیمیایی در حضور یک پایدارکننده مثل سورفاکتانتها و پلیمرها (مثل پلی وینیل پیرولیدین ) بسیار معمول می باشد که می توان اندازه ذرات را با تغییر دما،  pH و کنترل هم زدن تغییر داد. با وجود سهولت در این روش معایبی نیز وجود دارد مثل زمان انجام واکنش که معمولا بسیار طولانی است. کاهش یون نقره با یک کاهنده می تواند در دمای اتاق رخ دهد البته سرعت واکنش آنقدر کند است که تشکیل اجزای نقره ساعتها طول می کشد.

تکلیف: در مورد مسایل زیر بحث کنید:
- چگونه میتوان زمان انجام واکنش را کمتر کرد؟
- مرحله مهم در طول تهیه نانو ذرات در ابعاد مورد نظر، جلوگیری از تجمع ذرات می باشد، چگونه میتوان از تجمع و کلوخه شدن ذرات جلوگیری کرد؟

نقره ، یکی از عناصر شیمیایی با نشانه Ag ، دارای عدد اتمی 47 ، وزن اتمی 107.8682 و در گروه یک فرعی (IB) جدول تناوبی قرار گرفته است. نقره فلزی سفید مایل به خاکستری و براق است و از نظر شیمیایی یکی از فلزات سنگین و از جمله فلزات نجیب و از نظر تجارتی عنصری گرانبها تلقی می گردد.
تکلیف: از آنجا که نقره یکی از فلزاتی است که دارای اهمیت و کاربرد فراوانی است، از شما دانش آموزان میخواهم که در مورد خواص شیمیایی، ترکیبات و کاربرد این فلز در اسلایدی از پاور پوینت خود توضیح دهید.