گرافن - جلسه هفتم

اهداف جلسه:
· آشنایی با سنتزگرافن اکسید اسیدی مغناطیسی
· بررسی تاثیر اسیدها بر ویژگی مغناطیسی آهن

وسایل مورد نیاز:
·دسترسی به اینترنت
· اکسید گرافن مغناطیسی
· سولفونیک اسید
. دی کلرومتان
·مگنت
·لوله آزمایش

 مقدمه:
در سال‌های اخیر، تلاش‌های زیادی برای تهیه و سنتز نانوذرات مغناطیسی جهت کاربرد آن‌ها در زمینه‌های متنوعی مانند بیوتکنولوژی، دارورسانی، کامپیوتر و ... انجام شده است. به طور کلی عملکرد و کاربرد این نانوذرات تحت تاثیر طراحی و سنتز مناسب آن‌ها است. تاکنون نانوذرات مغناطیسی مختلفی سنتز شده اند که از آن جمله می‌توان به نانوذرات فلزی خالص (Fe, Co , Ni)، اکسیدهای فلزی (Fe3O4 , γ-Fе2О3)، فریت‌ها (MFe2O4 ,M = Cu, Ni, Mn, Mg, etc.) و آلیاژهای فلزی (FePt, CoPt) اشاره کرد.
در هنگام سنتز این نانوذرات بایستی برخی شرایط کلیدی مانند خواص مغناطیسی ذاتی ، اندازه و شکل نانوذرات، پوشش سطحی و بار سطحی نانوذرات، پایداری در محیط آبی و همچنین غیرسمی‌بودن آن‌ها مورد توجه قرار گیرند. با انتخاب یک روش سنتز مناسب می‌توان اندازه، شکل، پوشش سطحی و پایداری کلوییدی نانوذرات مغناطیسی را به صورت مطلوب کنترل کرد. در انتخاب ماده مغناطیسی، اکسیدهای آهن معمولا حرف اول را می‌زنند. از یک سو این اکسیدها نسبت به دیگر نانوذرات مغناطیسی خواص مغناطیسی خوبی دارند و از سوی دیگر پایداری بالایی در برابر تخریب از خود نشان می‌دهند. همچنین این نانوذرات سمیت پایین‌تری را نیز دارند. تا به امروز روش‌های گوناگونی جهت سنتز نانوذرات مغناطیسی ارائه و بهبود داده شده‌اند. در این مقاله به توضیح برخی از آن‌ها پرداخته خواهد شد.

عامل دار کردن نانوذرات مغناطیسی
برهمکنش‌های بین نانوذرات و محیط اطراف آن‌ها به شدت تحت تأثیر سطح و گروه‌های سطحی نانوذرات است. توسعه روش‌های اصلاح سطح نانوذرات مغناطیسی جهت عامل‌دار کردن شیمیایی آن‌ها و کنترل حلالیتشان مهم است و به شدت متاثر از نوع کاربرد مورد نظر است. به طور مثال برای کابردهای بیولوژیکی اغلب سطح نانوذرات مغناطیسی با مولکول‌های زیستی مانند پروتئین‌ها اصطلاح می‌شوند.‌اکثر کاربردهای نانوذرات مغناطیسی نیازمند پایداری شیمیایی، یکنواختی در اندازه و پراکندگی مناسب آن‌ها در محیط مایع است. لذاسطح نانوذرات باید با گروه‌های مناسب اصلاح شوند. جذب شیمیایی الکترواستاتیکی (یا افزودن لیگاند، در علم شیمی لیگاند به یون یا مولکولی گفته می‌شود که قادر است به یک فلز یا چند فلز خاص متصل شده و تشکیل یک کمپلکس دهد) و اتصال کووالانسی (تعویض لیگاند) از جمله روش‌هایی هستند که برای تغییر و اصلاح سطح نانوذرات استفاده می‌شوند.
پیشرفت‌های صورت گرفته در سنتز نانوذرات مغناطیسی به ویژه در دو دهه اخیر، موجب توسعه طیف گسترده‌ای از این نانوذرات، آن هم در اندازه‌های مختلف و قابل کنترل شده‌است. با این حال، یکی از مشکلات غیر قابل اجتناب در ارتباط با این نانوذرات، عدم پایداری ذاتی آن‌ها در بازه‌های طولانی مدت است. از سوی دیگر، مسائلی همچون واکنش پذیری بسیار بالا و سمیت برای برخی از نانوذرات مغناطیسی، کاربرد آن‌ها را با محدودیت مواجه می‌نماید. پژوهش‌های صورت گرفته در این حوزه به خوبی نشان داده‌اند که برای غلبه بر این مشکلات، پوشش دهی این نانوذرات با استفاده از مولکول‌های آلی و معدنی یکی از موثرترین راهکارها به شمار می‌آید. به نحوی که در سال‌های اخیر، عامل‌دار کردن و اصلاح سطح نانوذرات مغناطیسی، پتانسیل استفاده از این نانوذرات در زمینه‌های متفاوت را به صورت چشمگیری افزایش داده است.

کاربردهای نانو ذرات مغناطیسی
الف)ذخیره اطلاعات
ب)فروسیال‌ها
ج) نانوهیبرید‌های مغناطیسی
د) دارو رسانی هدفمند
ه) نانوکاتالیزور­های مغناطیسی

شیمی مغناطیس، دربرگیرنده واکنش ­های شیمیایی است که در آن واکنش دهنده­ها، محصولات یا کاتالیزور­ها خواص مغناطیسی داشته باشند. از آنجا که ساخت نانوذرات مغناطیسی از نظر زمانی و هزینه مقرون به صرفه نیست تنها در واکنش هایی استفاده می شود که در مقدار کاتالیتیکی و اندک قابل بازیافت و استفاده مجدد باشند. یک روش اصلاح ترکیب‌ها جامد متخلخل و کاتالیزور­ها، عامل دار کردن آنها به وسیله ترکیب‌ها آلی می ­باشد که منجر به تشکیل مواد هیبریدی معدنی-آلی می­ شود. این کار در حقیقت موجب افزایش گزینش پذیری می­ شود. یک روش دیگر جهت اصلاح ساختار ترکیب‌ها مزوپروس وارد کردن نانوذرات مغناطیسی به داخل شبکه آنهاست که روشی نوین در جهت کمک به بازیابی و استفاده مجدد آنها می ­شود. نانوذرات مغناطیسی در شیمی در زمینه های تحقیقاتی علمی نظیر بسترهای کاتالیتیکی، بیوکاتالیزور­ها، بیوتکنولوژی و دارو مورد استفاده قرار می­ گیرند. پتانسیل و فراگیری شیمی مغناطیسی به دلیل جداسازی سریع و آسان نانو ذرات مغناطیسی، حذف فرآیند­های جداسازی هزینه بر و دشوار است که اغلب در شیمی اعمال می­ شوند. همچنین، نانوذرات مغناطیسی به راحتی توسط یک میدان مغناطیسی به موقعیت دلخواه  هدایت می­ شوند. کاتالیزور­های جامد مرسوم، اغلب از فعالیت پایین و گزینش پذیری کم که ناشی از محصور بودن مرکز فعال کاتالیزور در یک بستر جامد است، رنج می­برند. به این ترتیب، قرار دادن مرکز کاتالیزور بر روی نانوذرات با نسبت­های سطح به حجم بالا این مشکل را برطرف می ­کند. شایان ذکر است که نانو ذرات مغناطیسی، علاوه بر این مزیت، آسان بودن جداسازی را نیز در بر دارند.
روش کار
1. برای عامل‌دار کردن اکسید گرافن مغناطیسی با گروه عاملی سولفونیک اسید، به مقدار یک گرم از اکسید گرافن مغناطیسی در یک بالن 50 میلی لیتری بریزد.
2. 5 میلی لیتر دی­کلرومتان را به آن اضافه کنید.
3. 5/0 گرم کلرو سولفونیک اسید به وسیله پی­پت، به محلول اضافه کنید.
4. پس از یک ساعت جامدات تشکیل شده را صاف کنید و در آون در دمای C° 50 خشک می­گردد.
5. آزمایش را بدون حضور حلال دی کلرومتان تکرار کنید.
6. هر دو پودر به دست آمده را در یک لوله آزمایش بریزید و به آن 10 سی سی آب اضافه کنید.
7. مگنت را کنار هر دو لوله آزمایش بگیرید.
8. مشاهدات خود را یادداشت کنید.

سوالات
1. کدام یک از محصولات ویژگی مغناطیسی دارد؟

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
- تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
- تنظیم: محبوبه همت