Chemlog

1) بالا به پایین:عبارتست از روش خردکردن یک تکه از ماده بوسیله بریدن و کوچک کردن آن به ابعادی که می خواهیم . در واقع این امکان وجود دارد که مواد را آنقدر تجزیه کنیم تا در حد نانو متری برسند یعنی در حد 10⁻⁹ متر. امروزه این عمل توسط شکست فیزیکی و شیمیایی انجام پذیر می باشد.

2) پایین به بالا:در طی این روش ساخت ، اتمها و مولکولها بطور خیلی دقیق کنار هم قرار داده می شوند تا به یک ساختار نانویی برسیم ، که این بواسطه خاصیت خود آرایی قابل حصول می باشد.

روش  تولید پایین به بالا را فقط می توان برای ساخت مواد در مقیاس نانو متری استفاده کرد ، اما روشهای تولید بالا به پایین هم برای تولید مواد نانو و هم میکرو و … کاربرد دارند.

با توجه به اهمیت تولید مواد نانو ساختار در صنایع، در این قسمت مروری مختصر بر روشهای تولید صنعتی ارائه شده است:

فرآیند های تولید نانو ذرات:

نانو ذرات، را می توان از روشهای متنوعی تهیه کرد. روشهای متفاوت به منظور بدست آوردن خواص ویژه بهینه مواد استفاده می شوند. این خواص شامل اما نه محدود به ، سایز ( قطر ، طول و حجم ) ، توزیع اندازه ذرات ، تقارن خواص سطحی ، پوششهای سطحی ، خلوص ، کاربری راحت ، بهره و مناسب برای تولید انبوه می باشند. روشهای استفاده شده برای اهداف تجاری یا تولید نانو ذرات به 4 گروه عمده تقسیم بندی می شوند که عبارتند از: 

1. پروسه های فاز گازی شامل تولید با پیرولیز شعله ، تبخیر در دمای بالا و پلاسما.

2. رسوب دهی فاز بخار vapor-deposition.

3. روشهای فاز مایع یا کلوئید که در آن واکنشهای شیمیایی در حلال ، باعث تشکیل کلوئید می شود.

4. پروسه های مکانیکی شامل سایش ، آسیاب کردن و آلیاژسازی.

برای تمام این پروسه ها ، مرحله بازیابی ( بدست آوردن ) تقریبا" شبیه هم می باشد و شامل تکنیکهای جابجا کردن پودرها یا دوغابها می باشد

1- روشهای سنتز فاز گازی

فرآیند های فاز گازی را می توان برای تولید رنج وسیعی از مواد بکار برد. اغلب (اما نه همه) روشهای سنتز نانو ذره در فاز گازی بر اساس هسته زایی همگون بخار فوق اشباع و بدنبال آن رشد ذره بوسیله متراکم شدن ، لخته شدن و به تله افتادن.

روشهای چندی را می توان برای تهیه بخار فوق اشباع مورد استفاده قرارداد که وابسته به مواد (حد واسط ها) استفاده شده و ترکیب (فرم) موادی که باید تولید شوند دارد. در کل، تشکیل بخار در درون راکتور تشکیل ائورسل در دمای بالا انجام می شود مستقیم ترین روش برای دست یافتن به بالاترین اشباعیت، حرارت دادن جامد و بخار کردن آن به درون زمینه گازی است. این روش بویژه برای تهیه نانو ذرات فلزی بسیار مناسب می باشد. با استفاده از گازهای فعال مثل اکسیژن، اکسیدها و سایر ترکیبات مواد تبخیر شده را می توان تولید کرد. این روش همچنین برای تهیه کامپوزیتهای نانو ذرات و کنترل مورفولوژی نانوذره تک جزیی استفاده می شود.

مواد حدواسط به صورت جامد، پودر، مایع یا گازها وارد راکتور می شوند. در بعضی موارد، حدواسط ها نانو ذرات تولید شده توسط فرآیندهای مجزا هستند. در راکتور، حد واسط ها حرارت داده شده و با گاز حاصل مخلوط می شوند. بخار فوق اشباع بوسیله سرد کردن یا واکنش شیمیایی یا مخلوطی از این موارد تولید می شود.سرد کردن ممکن است بوسیله انبساط، مخلوط شدن با گاز خنک کننده یا با انتقال حرارتی محیط احاطه کننده آن  تحت تأثیر قرار گیرد. واکنشهای شیمیایی مورد استفاده ، اغلب (معمولا) واکنشهای تخریب می باشند.  فرایند هسته زایی بخار فوق اشباع بوسیله تشکیل ذرات بسیار ریز از فاز مولکولی آغاز می شود. این هسته ها بعدا" رشد می کنند ، مکانیسمهای رشد سطحی (تراکم غیر همگن، واکنشی سطح) و بوسیله تصادم و لخته شدن انجام می شود.

برخوردهای بیشتر می تواند نتیجه اش تشکیل لخته شدن با کناره های شل یا زنجیر مانند یا فرمهای دندانه دار شود. جزئیات کلی پروسه وابسته به مقدار مواد گازی شکل قابل متراکم شدن موجود، خواص ترمودینامیکی و شیمیایی، همچنین به شرایط فرایند می باشد.

روشها را می توان بوسیله فرایندهای حرارت دادن یا بخار مورد استفاده به مقوله های زیر تقسیم بندی کرد؛ اینها شامل:

1. پیرولیز شعله                   2- راکتورهای جریان کوره ای                3- پیرولیز القاء شده لیزری

4- تبخیر لیزری                     5- پلاسمای حرارتی                            6- پلاسمای میکرو موج

1- کند و پاش                      8- خراشیدن لیزری (فرسایش)               9- بخار قطره کوچک

روشهای پیرولیز شعله پایه تولید برای بسیاری از فرایندهای صنعتی موجود می باشد که نانو موادی نظیر کربن بلک و فیومد سیلیکا را در حجم بالا تولید می کنند. در پیرولیز شعله، نانو ذرات تولید شده توسط حرارت شعله، واکنشهای شیمیایی را آغاز می کنند. این روش تقریبا" ارزان قیمت بوده، روشی با توان تولید بالا می باشد که برای تولید بخار سیلیکا ( sio2 ) و Tio2 با سایز بسیار ریز بکار می روند. این مواد بوسیله اکسیداسیون  Ticl4 (تیتانیم تتراکلرید) یا سیلیکون تتراکلرید (Sicl4) در شعله O2/متان تولید می شوند. عیب این روش این است که اغلب ذرات لخته شده را می دهد. محصولات با پیچیدگی بیشتر نیز توسط این روش قابل تهیه می باشد.

راکتورهای جریان کوره ای، ساده ترین سیستم برای تولید بخار اشباع شده برای مواد دارای فشار بخار بالا در دماهای متوسط می باشد. در این سیستمها بوته حاوی ماده منبع، در جریان حرارتی گاز بی اثر حامل قرار می گیرد. مواد با فشار بخار پایین به عنوان حدواسط های مناسب، نظیر آلی فلزی ها یا کربو نیل های فلزی در داخل کوره ، به عنوان خوراک مصرف می شوند. این روش برای تولید نانو ذراتی نظیر نقره (Ag) ، گالیم (Ga) و گالنا (PbS) استفاده شده است.

در تکنیک پیرولیز لیزری، جریان گاز واکنشی با لیزر مادون قرمز (IR) به سرعت حرارت داده می شود. مولکولهای منبع به طور گزینشی توسط جذب انرژی لیزر، بدون جذب گاز حامل ، حرارت داده می شوند. تخریب حدواسط ها، به خاطر افزایش دما و فوق اشباع شدن اتفاق می افتد که نتیجه اش تشکیل نانو ذرات است. در این فرایند برای تولید نانو ذرات Si ، از SiH₄ و نانو ذرات آهن از Fe(Co)₅ استفاده شده است.

راکتورهای پلاسما را همچنین می توان برای آزاد کردن انرژی مورد نیاز که سبب تبخیر یا آغاز واکنش های شیمیایی می شود مورد استفاده قرار داد. آنها می توانند به دمای c˚10000 دست یابند. خوراک های پودری را همچنین می توان بوسیله پلاسما تجزیه کرد. انواع اصلی پلاسمای مورد استفاده شامل جت پلاسمای جریان مستقیم (DC)، آرک پلاسمای جریان مستقیم، پلاسمای القایی فرکانس رادیویی می باشند.

کند و پاش (sputtering) یک روش تبخیر کردن مواد از سطح جامد بوسیله بمباران با یونهای پرسرعت گاز بی اثر مثل آرگون (Ar) یا گریپتون (Kr) که باعث پس زنی اتمها می شود است. منابع اسپاتر کننده نظیر تفنگ یون اسپاتر پلاسمای هالوکاتد، به طور معمولی در سیستمهای خلاء استفاده می شوند. این فرایند نیاز به انجام در دمای پایین دارد که ضریب کارایی آن را برای تولید نانو ذرات در حالت ائورسل و تولید انبوه با این پروسه محدود می کند.

روشهای سنتزی فاز گازی، قادر به تولید ویژگی بهبود یافته، کنترل در جنبه هایی نظیر سایز ذرات، کریستانیتی، درجه توده ای شدن، حفره دار بودن، همگونی شیمیایی، خلوص و استوکیومتری و در کل امکان خوبی برای تولید در مقیاس صنعتی فراهم می آورد.

2-  روشهای ترسیب بخار: 

روشهای ترسیب شیمیایی بخار (CVD) بر پایه روشهای ایجاد شده برای نیمه رساناها بنا شده است . این سیستمها به طور رایج برای رسوب دادن فیلمهای نازک سیلیکون و سایر نیمه رساناها در قرص (تراشه) نیمه رسانا ها بکار می رود. بخار بوسیله پیرولیز، احیا، اکسیداسیون و نیتریداسیون در اتاقک واکنش تولید می شود. رشد فیلم رسوب داده، در چندین مرحله، با آغاز با هسته زایی به عنوان اولین اتمهای رسوب داده در روی سطح شروع می شود. این اولین اتمها تشکیل جزایری را می دهند که بسط یافته و به هم می پیوندند تا یک فیلم پیوسته را بدهند. بعد از اینکه این فیلم گذرا تشکیل شده، رشد بطور پیوسته تا گسترش لایه ضخیم فیلم ادامه می یابد. منطقه های رشد روی قرص (تراشه) کنترل می شود بوسیله پروسه های الگو (که به عنوان فتولیتوگرافی یا فتو ماسکینگ شناخته شده اند) که در آن الگوهای رسوب داده شده که به صورت قلم زده شده روی لایه های سطح قرص (تراشه) می باشند. 

روشهای CVD برای تولید تعداد زیادی از مواد شامل TiO₂، ZnO و SiC استفاده شده اند. اما مهمترین کاربرد آن در سنتز نانوتیوبهای کربنی است، جایی که CVD به عنوان یکی از موثرترین روشها برای تولید در مقیاس صنعتی قابل توجه می باشد.

3- روشهای کلوئیدی:

گروه اصلی بعدی روشهای کلوئیدی هستند. آنها به طور رایج به فرایند های رسوب دهی شیمیایی مرطوب معروف اند که محلولهای یونهای مختلف مخلوط شده تحت شرایط کنترل شده دمایی و فشار رسوبات نامحلول تشکیل دهند. روشهای کلوئیدی یک روش ساده ای برای سنتز نانو ذرات فراهم آورده اند. ابن روش قادر است که تولید نسبتا" مستقیمی با کمیت مناسب برای نانو ذرات فلزی با قیمت عالی فراهم آورد. در مقایسه با سایر روشها اخیرا" توجه به تولید ذرات تک پاشیده با شکل ذرات مشخص معطوف شده است. نانو مواد تولید شده توسط فرایند های کلوئیدی شامل فلزات ، اکسید های فلزی ، مواد آلی ها و دارویی می باشند.

از زیر شاخه های مهم و سریعا در حال توسعه روشهای کلوئیدی، روشهای سنو شیمیایی هستند که از امواج صوتی برای کنترل فرایند استفاده می کنند. در این فرایند، حدواسط های مولکولی تحت واکنشهای شیمیایی که ناشی از بکار بردن امواج اولتراسونیک هستند قرار می گیرند. رویداد اصلی در سنو شیمی، ایجاد، رشد و ترکیدن سریع حبابهایی است که در مایع ایجاد شده است. دمای بالا و سرعت سرد کردن سریع نیز در ترکیدن حبابها و مراکز هسته زایی تشکیل شده که رشد را توسط ترکیدن سریع محدود می کند مشارکت دارند. این روش برای تولید رنج گسترده ای از نانو ذرات شامل کالکوژن ها ، فلزات و آلیازها شامل طلا ، کبالت ، نیکل همچنین نانوتیوبهای کربن و تیتانیم بکار می رود.

4- . روشهای خردایش ( ساییدگی ):

گروه پایانی روشهای خردایش مکانیکی هستند. در مقابل سه گروه قبلی ، که در آنها از روش " پایین به بالا" “bottom-up” از مولکولهای منحصر به فرد استفاده شده، در روشهای خردایش، نانو ذرات از ذرات بزرگتر به طرف پایین ( اندازه کوچکتر ) تولید می شوند.

کاهش سایز بوسیله ساییدن و آسیاب کردن یکی از فرایند های صنعتی معروف می باشد که برای تولید گسترده انواع ریزتر مواد شامل کلی ها ، کول ها و فلزات استفاده می شوند. سرعتهای تولید مواد می تواند به صورت توناژ در ساعت سفارش داده شود. تولید مواد با ریزترین گرید ( درجه ) قبلا به عنوان میکرونیزه کردن ارجاع می شد. تولید ذرات در رنج سایز نانومتری به عنوان ساییدن به صورت اولترا فاین یا نانو سایز مطرح می شود.