سنتز نانو ذرات اکسید روی،جلسه سوم

هدف: شامل اهداف آموزشی و پژوهشی آشنایی دانش آموزان با نانو ذرات نیمه رسانا و روشهای سنتز مواد نانو ساختار

فعالیت: مطالعه روشهای تولید نانو مواد و کاربردهای آن، و تهیه فایل پاورپینت از مطالب جلسه سوم

وسایل مورد نیاز:رایانه و در صورت امکان ویدیو پروژکتور

در جلسات 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 می شنویم ولی این مقیاس نانو در زندگی امروز بشر و حتی آینده جایگاه ویژه ای دارد. پس بهتر است بدانیم چگونه می توانیم 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. می خواهم 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 نانو ذرات 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 نانو ذرات 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 نانو ذرات 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 نانو ذرات ضمن تبعیت از دو رویکرد  بالا به پایین و پایین به بالا شامل محدوده وسیعی از فرایندها در حالت بخار، مایع و جامد می باشد. روشهای موجود برای ساخت نانوذرات از طریق بخار، گسترهای از روشهای رسوب دهی فیزیکی بخار و رسوب دهی شیمیایی بخار، روشهای مایع شامل؛ سل ژل و روشهای شیمیایی تر میباشد. همچنین در روش حالت جامد ازطریق آسیاب کردن مکانیکی انجام می گیرد.

 در ادامه مقایسه ای بین روش های 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 نانو مواد 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 نانو مواد، جزو رویکردهای پایین به بالا  محسوب می شوند، که در مقایسه با روش های فیزیکی اساسا به امکانات ساده تر و ارزان تری نیازمندند که این خود یک مزیت عمده در مقیاس تحقیقات آزمایشگاهی و همچنین تولیدات صنعتی محسوب می شود. در ادامه به توصیف روش کلوییدی می پردازیم که یک روش پایین به بالا می باشد و دراین پروژه از آن استفاده می شود.

روش کلوییدی:
ذرات نانومتری به سبب خصوصیات منحصر به فردی که به واسطه ورود ابعادشان به مقیاس نانو به دست می آورند مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته َاند. ویژگیهای خاص نورى نانوذرات اکسید روی دلیلی بر تمایل به مطالعات گوناگون بر روى این ماده مى َباشد. رو شهای متعددی برای ساخت نانو ذرات نیمه رسانا گزارش شده است که متداولترین آنها براساس واکنش دو یا چند واکنشگر در فاز مایع یا جامد و تشکیل محلول کلوییدی است، که توانایی کنترل اندازه، توزیع اندازه و همچنین مورفولوژی نانوذرات را فراهم می آورد. سطح نانو ذرات به دست آمده توسط این روش به شدت جهت كاربردهای اپتیكی مناسب است.

روش های کلوئیدی  به طور رایج به فرایندهای رسوب دهی شیمیایی مرطوب معروف اند که محلول های یون های مختلف مخلوط شده تحت شرایط کنترل شده دمایی و فشار، رسوبات نامحلول تشکیل دهند. روشهای کلوئیدی یک روش ساده ای برای سنتز نانوذرات فراهم آورده اند که  در بین روش های موجود جهت سنتز و تولید نانوذرات نیمه رسانا به نوعی ارزان ترین روش محسوب می شود.

سنتز کلوئیدی نانو ذرات در یک محیط حلال مناسب، اغلب به عنوان یک روش پایین به بالا برای به دست آوردن نانو ساختارها، تلقی می شود. با استفاده از روش های شیمیایی پایین به بالا، نانوذرات نیمه رسانای با کیفیت بالا تولید می شود( در این جا، کیفیت بالا بدین معناست که اندازه ی مناسبی از ذرات در بزرگترین گستره ی ممکنه ایجاد گردد، همچنین توزیع اندازه ی ذرات نیز باریک باشد.)نانو مواد تولید شده توسط فرایندهای کلوئیدی شامل فلزات، اکسید های فلزی، مواد آلی ها و دارویی می باشند.

در این پروژه محلول کلوئیدی نانوذرات اکسید روی در محیط ایزوپروپانول با واکنش بین استات روی و هیدروکسید سدیم سنتز میشود.

فلز روی:
روی ، یکی از عناصر شیمیایی در جدول تناوبی است که نماد آن Zn و عدد اتمی آن 30 می باشد. روی عنصر فلزی براق به رنگ سفید مایل به آبی است.  استخراج و تصفیه روی ناخالص در هزار سال پیش از میلاد مسیح در هند و چین صورت می گرفته است. از روی و ترکیبات روی برای ساخت آلیاژ برنج استفاده می شود.  روی فلزی است که  مانند فلزات دیگر به آرامی واکنش نشان می دهد. با اکسیژن و دیگر غیر فلزات ترکیب شده و با اسید رقیق واکنش نشان داده و گاز هیدروژن آزاد می کند. چهارمین فلز متداول و مورد استفاده بوده و بعد از آهن، آلومینیوم و مس بیشترین فلز تولیدی می باشد. روش استخراج روی از سوختن و اکسید شدن سنگ معدن روی و واکنش اکسید روی با زغال یا کربن توسط تقطیر فلز حاصل می شود.

اکسید روی:
اكسید روی، پودری سفید رنگ مایل به زرد یک نیمه هادی مر کب گروه II-VI است که دارای شبكه بلوری هگزاگونال می باشد. این ماده از سنگ معدن روی بدست می آید كه عمدتاً شامل كربنات، سیلیكات و سولفیدها است. اكسید روی یك ماده نیمرسانا با گاف انرژی پهن ev3.37 است. که به خوبی اشعه فرابنفش را نشر کرده ودر مقیاس نانو داری كاربردهای فراوانی در دیودهای نوری، لیزر، پیلهای خورشیدی، محافظ های پوستی و آشكارسازهای گازی است، به علت دوستدار طبیعت بودن در كاربردهای پزشكی، تصویربرداری های بیولوژیكی و آشكارسازهای سرطان کاربرد دارد.

تکلیف: در این جلسه میخواهم به مطالعه در مورد روش کلوییدی سنتز نانوذرات بپردازید  و در فایل پاورپوینت خود توضیح دهید و در ادامه جدولی مانند زیر تهیه کنید و در مورد خواص و مشخصات ظاهری مواد مورد آزمایش تحقیق کنید.

 بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه: رویا رحیم زاده

تنظیم : مرجان سلیمانیان

سنتز نانوذرات نیمه رسانای اکسید روی-  جلسه اول
سنتز نانوذرات نیمه رسانای اکسید روی-جلسه دوم
سنتز نانوذرات نیمه رسانای اکسید روی-جلسه سوم
سنتز نانوذرات نیمه رسانای اکسید روی- جلسه چهارم
سنتز نانوذرات نیمه رسانای اکسید روی-جلسه پنجم
سنتز نانوذرات نیمه رسانای اکسید روی-جلسه ششم