نانو رس

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو

نانورس به رس خالص شده از ناخالصی ­های معدنی همراه اطلاق می­ شود که اندازه ذرات صفحه ­ای آن نیز کوچکتر از مقدار معینی(معمولاً ۲ میکرون) باشد و حداقل یکی از ابعاد آن در حد نانومتر باشد. خصوصیات شیمیایی و فیزیکی مواد جامد به شدت به اندازه و شکل ذرات میکروسکوپی تشکیل دهنده آن ها بستگی دارد. این به ویژه در مورد مواد با ویژگی های مورفولوژیکی کوچکتر از یک میکرون صادق است که معمولاً مواد مقیاس نانو، یا به صورت ساده تر نانومواد نامیده می شوند.در این مواد نسبت مساحت به حجم بسیار زیاد می شود که در مقایسه با ترکیباتی با اندازه دانه بزرگتر و اثرات مکانیکی کوانتومی مانند "اثر اندازه کوانتومی" نقش مهمی را ایفا می کنند. این تأثیرات تنها در هنگام رفتن از ابعاد ماکرو به میکرو نقش جزئی دارند، اما هنگام رسیدن به محدوده اندازه نانومتر اهمیت بیشتری پیدا می کنند. مهمترین خصوصیات الکترونیکی جامدات با کاهش قابل توجهی در اندازه ذرات تغییر می کنند، همچنین تعدادی از خصوصیات فیزیکی دیگر مانند رنگ، دمای انتقال فاز و مقادیر بند گپ هنگام مقایسه با سیستم های ماکروسکوپی تغییر می کنند. اگر کنترل دقیق اندازه و شکل ترکیب ممکن باشد، بنابراین می توان خصوصیات شیمیایی و فیزیکی آنها را مطابق دلخواه تغییر داد[۱].

ساختار و ویژگی نانورس ها[ویرایش]

نانورس ­ها مواد کریستالی ریز دانه ­ای هستند. یک لایه واحد ساختاری اساسی نانورس ­ها است و این لایه ­ها مستعد هستند که مانند صفحات یک کتاب، خود را بر روی یکدیگر قرار دهند. لایه ­های جداگانه از ورقه ای چهار وجهی و یا هشت­ وجهی تشکیل شده است و این آرایش از ورق ­ها نقش مهمی در تعریف و تمایز این کانی رس دارد. در ورق چهار وجهی، چهارضلعی سیلیکون- اکسیژن با به اشتراک گذاشتن سه گوشه به چهارضلعی همسایه وصل می­شود در حالی که گوشه چهارم هر چهارضلعی بخشی از ورق هشت ­وجهی مجاور را تشکیل می­ دهد. ورقه هشت ­وجهی معمولاً از آلومینیوم یا منیزیم با همسایگی شش با اکسیژن موجود در ورق چهاروجهی و با هیدروکسیل تشکیل شده است. ورق­ ها یک لایه تشکیل می ­دهند و ممکن است چندین لایه در یک بلورک رس به هم بپیوندند.

نیروی واندروالس، نیروی الکترواستاتیک یا پیوند هیدروژنی بین لایه­ ها محرک اصلی این لایه ­ها برای پیوند با یکدیگر هستند و توده ­های لایه ­های موازی را تشکیل می ­دهند. این انباشتگی منجر به شکاف ­های منظم واندروالس بین لایه ­های مجاور می­شود. به این فاصله ­ها بین لایه ­ها بین لایه­ ای یا گالری گفته می­شود و توسط آب، کاتیون­ های آلی یا مایعات آلی قطبی قابل دسترسی است. این تعامل باعث ضعیف شدن نیرو های پیوند این لایه­ ها با یکدیگر و باعث گسترش شبکه می­شود. توانایی کانی رس در پذیرش تغییر در شیمی سطح و لایه لایه شدن به لایه­ های جداگانه از ویژگی ­های مهم آن ها است که به طور گسترده در توسعه کامپوزیت ­های جدید مورد استفاده قرار گرفته است. ورق­ های چهار وجهی و هشت وجهی بلوک ­های ساختمانی برای لایه­ های رس است و این بلوک­ های ساختمانی قادر به گرد آمدن در انواع چیدمان هستند. بنابراین طبقه بندی ساختار نانورس می­تواند مربوط به آرایش این بلوک ­های ساختمان باشد[۲].

ویژگی اساسی نانورس
ویژگی اساسی نانورس

در فرایند ساخت نانورس، رس مورد نیاز می­ بایست از لحاظ توزیع ابعادی، خلوص و نیز از لحاظ شیمی سطح اصلاح شود. از دلایل جذابیت نانورس به عنوان نانو ذره یک بعدی می­توان به سطح مخصوص بالا ناشی از ساختار ورق های، ارزان بودن، در دسترس بودن، امکان تغییر بعد نانومتری با انجام فرایندهای سطح سازی و ظرفیت تبادل یونی بالا اشاره کرد.

نانورس­ ها نانوپرکننده­ فراگیر هستند و به گروه گسترده­ای از کانی رس تعلق دارند. آن­ها برای بشر و سرامیست ­ها چیز جدیدی نیستند از زمان­ های پیش از تاریخ از آن ­ها در توسعه محصولات رسی استفاده کرده ­اند. به عنوان مثال، چندین محصول رس با استفاده از کائولن با نام سنتی رس چینی تهیه شده بود و استفاده از آن به قرن سوم قبل از میلاد در چین می­رسد. حتی اگر ساختار نانورس ­ها و طبیعتشان به مدت چندین دهه مورد کاوش قرار گیرد و از زمان باستان مورد استفاده قرار می ­گیرد، تعریف دقیق آن ­ها موضوع مداوم مورد بحث است. کانی های خاک رس سیلیکات های آبدار هستند و ممکن است به عنوان ذرات ریز دانه با ساختار ورق مانند که روی یکدیگر قرار گرفته است توصیف شوند. با توجه به این هندسه، آن ها معمولاً به عنوان فیلوسیلیکات ها، سیلیکات های دارای ساخت ورق شناخته می شوند. فیلوسیلیکات ها عمدتاً از آلومیناسیلیکات دانه ریز تشکیل شده و در نتیجه هوازدگی شیمیایی مواد معدنی سیلیکات در سطح زمین تشکیل می شود. نانورس ها معمولاً توسط فیلوسیلیکات ها چیره شدند و ممکن است با روش های مختلف از بخش رس یا ماده رس بالک جدا شوند. روش های مورد استفاده برای استخراج و پردازش نانورس ها شامل همزن پرانرژی و به دنبال آن سانتریفیوژ و یخ خشک شده است؛ سانتریفیوژ و تصفیه عبور جریان ؛ و ماوراء گریز از مرکز[۳].

کاربرد نانورس ها[ویرایش]

نانورس ها به راحتی در دسترس، مواد شیمیایی سازگار با محیط زیست، کم هزینه هستند. حوزه های اصلی تحقیق شامل :

  • سنتز و توصیف
  • خصوصیات سطح و پایداری
  • ساخت نانوکامپوزیت های نانورس
  • استفاده از نانورس ها به عنوان ماده اولیه برای تولید مواد جدید

نانورس ها کاربردهای زیادی را در زمینه های مختلف از جمله پزشکی، داروسازی، لوازم آرایشی، کاتالیزور، بسته بندی مواد غذایی و صنعت نساجی یافته اند. علاوه بر این کاربردهای ذکر شده، نانورس ها در حفاظت از محیط زیست نیز مفید هستند. پتانسیل آن ها به عنوان جاذب برای ترکیبات آلی فرار، و آلاینده های آلی/ معدنی در فاضلاب به خوبی ثبت شده است[۲].

این تنوع در کاربرد­ها را می­توان به

  • قابلیت سازگاری نانورس ­ها برای تغییر/ اصلاح
  • پراکندگی/ لایه لایه شدن لایه ­های رس به لایه­ های جداگانه اختصاص داد.

سازگاری نانورس­ ها برای اصلاح در این واقعیت نهفته است که کاتیون­ های لایه­ های داخلی را می­توان با کاتیون­ های مطلوب یا سایر مولکول­ ها جایگزین کرد. رویه ­های ساده ­ای برای اصلاح شیمی سطح نانورس ­ها لازم است. این اصلاح سطح، زمینه فوق العاده ­ای را برای تغییر خواص رس مانند قطبش، مساحت سطح، فاصله بین لایه ­ای، اسیدیته و اندازه منافذ و چیز­های دیگر فراهم می ­آورد که عملکرد آن­ها را در کاربردهای مختلف کنترل می ­کند. تمایل نانورس­ ها به لایه لایه شدن به نانو ورقه­ های جداگانه که منجر به نسبت ابعاد بالا می­ شود، دیگر ویژگی بکارگرفته شده آن­ ها در پشت کاربرد­های متنوع است[۴].

جدول (1-1)  کاربرد­های نانورس[۵]

صنایع کاربرد
صنایع خودرو مخازن سوخت، بانک بنزین، سپر­ها، پانل­های داخل و خارج
ساختمان انواع پروفیل­ها و قطعات اکستروژن و پانل­ها
صنایع الکترونیک انواع مدار چاپی و قطعات الکترونیکی
صنایع بسته بندی مخازن نگه داری مواد، بطری­ها و فیلم­ها
داروسازی تولید نانوداروها، حاملین دارو، رهاسازی کنترل شده دارو­های جدید
صنایع تولید محصولات آرایشی بهداشتی تولید محصولات ضداشعه ماورای بنفش
محیط زیست تصفیه پساب­های صنعتی

سنتز نانورس[ویرایش]

روش های مختلفی برای سنتز نانورس وجود دارد که برخی از این روش ها بدلیل معایبی که دارند کمتر مورد توجه قرار می گیرند:

سنتز نانورس
روش های سنتز نانورس

سنتز از محلول های بسیار رقیق[ویرایش]

این روش، توسط کایلر و همکاران توسعه یافته است و بعداً توسط هاردر (1972، 1978) مورد استفاده قرار می ­گیرد، بر اساس دو فرض است: (1) که کانی رس از محلول­ های رقیق در فرایندهای طبیعی (هوازدگی) تشکیل می­ شوند و (2) که کانی رس می­تواند با سیلیس شدن Mg (OH)2 (بروسیت) یا Al (OH)3  (گیبسیت) مانند ورق­ ها رشد کنند. محلول نمکی مورد استفاده بسیار رقیق است (mg/L 30-10) و غلظت SiO2 کمتر از mg/L 100 است تا از پلیمریزاسیون مونومرهای سیلیسی جلوگیری شود. از آنجایی که این روش اندازه ­های بسیار کوچکی از کانی رس را دارد که توصیف آن ­ها دشوار است، دیگر مورد استفاده قرار نمی ­گیرد[۶].

سنتز از روش هیدروترمال[ویرایش]

عملیات هیدروترمال می­تواند جوانه زنی و رشد کریستالی مواد معدنی رس را تحریک کند. پارامترهای کنترل کننده ­ی مهم دما (T)، مدت زمان درمان (t) و شیمی محلول، به ویژه pH است[۶].

روش مکانیکی[ویرایش]

در حال حاضر، چندین روش فرایند پیچیده، مانند آسیاب مکانیکی، طبقه بندی، هم زدن،درج دادن و عملیات ­های دیگر برای دستیابی به کائولینیت با کیفیت بالا استفاده شده است. با این حال، مصرف انرژی بالا، بازده کم، هزینه بالا و ناخالصی­ های جزئی باعث می­ شود که تولید کائولینیت بسیار ریز حتی برای محصولات اعلاء غیر عملی باشد. در صنعت، جداسازی ذرات کائولینیت به صفحات کوچک نازک، که به آن "لایه لایه شدن" نیز گفته می ­شود، با سنگ زنی مکانیکی سنتی یا هم زدن انجام می ­شود. این باعث شکستن در امتداد صفحات (001)، شکستگی صفحات کوچک، تخریب ساختار کریستالی کائولینیت و در نتیجه افزایش مساحت سطح مخصوص می ­شود. بیشتر مقالات گزارش می دهند که آسیاب­ های کوتاه مدت پولک­ های کائولینیت باعث شکستگی در امتداد صفحات پایه به همراه افزایش سطح مخصوص می­ شوند. با این حال، سنگ زنی طولانی مدت منجر به تشکیل آگلومره ها با لایه های سطح آمورف و کاهش مساحت سطح مخصوص می ­شود. به همین ترتیب، فراست و همکاران لایه لایه کردن کائولینیت را مورد بررسی قرار دادند و مشاهده کردند که سطح مخصوص در طول 2 ساعت اول افزایش می ­یابد، اما پس از 10 ساعت آسیاب، آگلومره شدن باعث کاهش مساحت سطح مخصوص می­ شود. نتیجه مشابهی بدست آمد. چندین تیم نویسنده اثرات مکانیکی شیمیایی سنگ زنی کائولینیت را بر روی ساختار و رفتار حرارتی آن آن را بررسی کرده ­اند. می­ توان نتیجه گرفت که ذرات، <μm1/0، آماده سازی با سنگ زنی مکانیکی سنتی یا همزدن مشکل است. علاوه بر این، سنگ زنی طولانی مدت منجر به تخریب بدنه آمورف ساختار کریستالی کائولینیت و تخریب عملکرد خدمات می­شود. بنابراین، بر اساس چگونگی نگه داشتن کامل ساختار کریستالی کائولینیت، علاقه به تهیه نانوذرات افزایش یافته است[۷].

روش سولووترمال[ویرایش]

تکنیک سولووترمال یک فرایند شیمیایی مرطوب است که به طور گسترده ­ای برای سنتز نانومواد معدنی در دماهای اغلب زیر °C  200 مورد استفاده قرار می ­گیرد. نانوذرات با استفاده از روش سولووترمال در شرایط متفاوت با موفقیت سنتز شده­ اند. این روش می ­تواند در مقیاس صنعتی استفاده شود زیرا به شرایط ویژه ای مانند ­ سورفکتانت­ های ویژه، زمان طولانی و کنترل فشار احتیاج ندارد[۸].

منابع[ویرایش]

  1. «G. Kahr, F. Kraehenbuehl, H. F. Stoeckli, and M. Müller-Vonmoos, "Study of the water-bentonite system by vapour adsorption, immersion calorimetry and X-ray techniques: II. Heats of immersion, swelling pressures and thermodynamic properties," Clay Minerals, vol. 25, no. 4, pp. 499-506, 1990».
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ «Kashif Nazir, Muhammad; Rehman, Rameez U.; Nazir, Atif (2016). "A Novel Review on Security and Routing Protocols in MANET". Communications and Network. 08 (04): 205–218. doi:10.4236/cn.2016.84020. ISSN 1949-2421».
  3. «M. C. Floody, B. Theng, P. Reyes, and M. Mora, "Natural nanoclays: applications and future trends–a Chilean perspective," Clay Minerals, vol. 44, no. 2, pp. 161-176, 2009».
  4. Kashif Nazir, Muhammad; Rehman, Rameez U.; Nazir, Atif (2016). "A Novel Review on Security and Routing Protocols in MANET". Communications and Network. 08 (04): 205–218. doi:10.4236/cn.2016.84020. ISSN 1949-2421.
  5. «L. Peña-Parás, J. A. Sánchez-Fernández, and R. Vidaltamayo, "Nanoclays for Biomedical Applications," pp. 3453-3471, 2019».
  6. ۶٫۰ ۶٫۱ Carrado, K.A. (1994-03-01). "The crystallization of new synthetic organo-clays".
  7. «S. L. Ding, B. H. Xu, Q. F. Liu, and Y. Z. Sun, "Preparation of Nano-Kaolinite and Mechanism," Advanced Materials Research, vol. 204-210, pp. 1217-1220, 2011».
  8. «Z. Darvishi and A. Morsali, "Synthesis and characterization of nano-bentonite by solvothermal method," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 377, no. 1-3, pp. 15-19, 2011».