چكيده
امروزه فناوري نانوتكنولوژي، نگاه بشر را به زندگي در عرصه هاي مختلف تغيير داده است. يكي از بخش هاي علم نانو كه توانسته در سال هاي اخير رشد قابل توجهي داشته باشد، صنعت ساخت و ساز ميباشد.
سوالات تحقيق:
در این مقاله، انواع روش های تولید نانوساختارهای مختلف اکسید روی بررسی شده است. روش های مختلفی برای تولید نانوساختارهای اکسید روی وجود دارد. انتخاب مناسب روش تولید و ساخت بهینه آن در مقیاس نانو باعث افزایش بهرهوری این ماده با ارزش خواهد شد.
روش تحقیق:
دانشمندان قادرند تا ساختارهای مختلف با اندازه نانو را از این ماده سنتز نمایند. ما در این مقاله به روش های سل-ژل، شیمیایی، مکانیکی و پاشش حرارتي اشاره میکنیم. همچنین یکی از کاربردهای آن در صنعت ساخت و ساز به عنوان نماهای ساختمانی خودتمیزشونده ارائه شده است.
نتیجه گیری:
با توجه به اینکه محققان توانسته اند ویژگی ها و خواص بسیار جالبی از این ماده به دست بیاورند، پتانسیل بسیار بالایی برای استفاده از این ماده در کاربردهای مختلف پژوهشی، صنعتی و کشاورزی وجود دارد.
كلمات كليدي: نانوساختار، اکسید روی، سنتز سل-ژل، پاشش حرارتی
در سالهای اخیر، نانومواد به علت کارایی بالایی که در حوزه های وسیعی از صنایع مختلف دانش همچون الکترونیک، کاتالیزور، سرامیک و ذخیره دادههای مغناطیسی دارند، گسترش قابل توجهی پیدا کرده اند. در حقیقت برای تحقق نیازهای علمی در زمینه های یاد شده با استفاده از نانومواد، اندازه مواد در ابعاد طول، عرض و یا ارتفاع تا مقیاس نانومتر ی کاهش می یابد. با کاهش اندازه مواد تا ابعاد نانومتری، خواص مکانیکی و فیزیکی مواد بهبود قابل توجهی می کنند، به طور مثال، استحکام مکانیکی و بویژه مقاومت الکتریکی و حرارتی افزایش پیدا می کند [1].
نانومواد را می توان در یک طبقه بندی به دو دسته نانوبلورها و نانوذرات تقسیم کرد :
روش های جدید تولید نانوذرات عمدتاً مبتنی بر فرآیندهای حالت بخار، مایع و جامد می باشند.
یکی از مهم ترین خواص مواد نانوساختار، نسبت بالای سطح به حجم در آنهاست. یعنی اتم های موجود در سطح، کسر بالایی از اتم های تشکیل دهنده یک ذره را تشکیل می دهند، لذا این نسبت به همراه اندازه و شکل تقریباً یکنواخت، باعث خواص کاملاً متفاوت نانوذرات در مقایسه با ذرات درشت تر و مواد توده شده است. تشکیل تدریجی نانوذرات، در فازهای مایع یا جامد در طی سه مرحله جوانه زنی، ادغام و رشد اتفاق می افتد.
اکسید روی یک ترکیب معدنی با فرمول مولکولی ZnO است. این ماده معمولاً به شکل پودر سفید رنگ می باشد و تقریباً در آب نامحلول است. این پودر به صورت گسترده به عنوان افزودنی به مواد و محصولات مختلف از قبیل پلاستیک، سرامیک، شیشه، بتن، رزین، روان کننده، رنگ، چسب و باتری استفاده می شود. ZnO در پوسته زمین به صورت آزاد هست، ولی اکثر آن به صورت سنتزی تولید می شود. در علم مواد، اکسید روی اغلب به عنوان نیمه رسانا II-IV نامیده میشود. این نیمه رسانا حاوی خواص منحصر به فرد زیادی است. شفافیت خوب، تحرک الکترونی بالا، شکاف عریض و لومینسانس قوی در دمای اتاق از آن جمله می باشد. این ویژگی ها باعث شده است تا از اکسید روی در ساخت الکترودهای شفاف در مایعات کریستالی، ذخیره سازی انرژی، پنجره های عایق گرما، ترانزیستور فیلم نازک و دیودهای نشر کننده نور (که از سال 2009 وارد بازار شده) مورد استفاده قرار گیرد.
اکسید روی از نظر ظاهری به صورت پودر سفید رنگی می باشد که اکثراً به نام زینکیت[3] معدنی شناخته می شود. کانی معدنی آن معمولاً شامل مقادیر معینی از منگنز و سایر عناصر است، لذا رنگ کانی آن معمولاً به صورت زرد مایل به قرمز دیده می شود [2]. رنگ اکسید روی متبلور وابسته به دما است، به طوریکه وقتی در معرض گرما قرار می گیرد از رنگ سفید به زردی می گراید، و در صورت سرد شدن دوباره سفید می شود.
ساختمان بلورین اکسید روی به سه حالت وجود دارد که عبارتند از: ورتزیت هگزاگونال[4]، زینک بلند مکعبی[5] و نمک سنگی[6]. در بین این سه نوع ساختار، شبکه ورتزیت از همه پایدارتر است. حالت زینک بلند می تواند بوسیله رشد اکسید روی بر روی بستر هایی با ساختار شبکه مکعبی پایدار شود. در هر دو فرم ورتزیت وزینک بلند، روی و اکسیدها چهاروجهی هستند. فرم راک سالت )شبه نمک (NaCl تنها در فشارهای نسبتاً بالا ~ GP 10 مشاهده می شود.
هیچ یک از شبکه های کریستالی ورتزیت و زینک بلند دارای وارونگی تقارنی نیستند. این خاصیت و سایر خواص تقارنی شبکه، باعث پیزوالکتریک شدن شبکه های فوق و پیروالکتریک شدن شبکه اکسید روی ورتزیت می شود. پیوند شیمیایی موجود در اکسید روی شدیداً یونی می باشد، که به خاطر همین خاصیت، ZnO خاصیت پیزوالکتریکی قوی از خود بروز می دهد. بدلیل یونی بودن شدید پیوند ZnO، صفحات اتمی روی و اکسیژن بار الکتریکی نسبتاً زیادی بر روی خود نگه می دارند. در اکثر ترکیبات به منظور حفظ خنثی بودن بار، این صفحات بازسازی شده و شکل فضایی خاصی به ترکیب مورد نظر می دهد. دو ساختار بلورین اکسید روی در شکل 1 آورده شده است.
اکسید روی نیمه رسانایی با انرژی شکاف بزرگ ~ev 2/3 می باشد. بدلیل انرژی شکاف بالا، مزیت های مختلف الکترونیکی از قبیل قابلیت نگهداری بالای میدان الکتریکی، نویز الکتریکی پائین و کارکرد در دما و توان بالا را دارا است. مقدار انرژی شکاف آن می تواند بوسیله آلیاژ شدن با اکسید منیزیم و اکسید کادمیوم بیشتر شود [4]. اکسید روی به صورت ذاتی، نیمه رسانا از نوع- n می باشد. اما با استفاده از پدیده دوپینگ[7] می توان آنرا به صورت یک نیمه رسانا از نوع-p تبدیل کرد. به طورکلی، بوسیله جانشینی Zn با عناصر گروه III همچون Al و Ga و یا با جانشینی اکسیژن با عناصر گروه VII همچون کلر و برم می توان اکسید روی را به نیمه رسانا قابل کنترل نوع- n تبدیل کرد. از طرف دیگر، دوپینگ نوع- p اکسید روی بسیار مشکل می باشد. منشأ این مشکلات ناشی از حلالیت و ترکیب شوندگی پائین دوپ شونده های نوع- p در شبکه اکسید روی بخاطر ناخالصی های فراوان نوع- n در آن است [6]. این محدودیت باعث جلوگیری از کاربرد گسترده ZnO در وسایل الکتریکی و اپتوالکتریکی که معمولاً مستلزم اتصال نیمه رسانا های نوع- n با نوع- p است، نمی شود. تحرک الکترونی اکسید روی شدیداً با دما تغییر پیدا می کند و بیشترین مقدار آن در K80 برابر cm2/ V.s 2000 گزارش شده است [7]. در سال های اخیر نیمه رسانا اکسید روی توجه بسیاری از محققان را در بخش های مختلف به خود جذب کرده است. یکی از مهم ترین دلایل چنین اقبالی، ناشی از قیمت بسیار پائین ترکیبات مختلف روی می باشد. از طرف دیگر، سنتز ساده و خواص منحصر به فرد کاتالیستی و نوری آن نیز از جنبه های مختلف حائز اهمیت می باشد..
1.5. روش ته نشين سازی جرقه ای
پايه هايی از جنس كوارتز با استون ، آب مقطر و و اتانول بطور سريع تميز و شسته می شوند و سپس با جريان گاز نيتروژن خشك می شوند. دو سوزن تيز از سيم هايی از جنس روی تهيه می شود. دو سوزن بصورت افقی با فاصله 3میلی متر از يكديگر و در فاصله 2میلی متر بالای مركز پايه قرار می گيرند . جرقه زمانی اتفاق می افتد كه يك خازن با kV 10 شارژ شده و به سوزن ها متصل می شود. بوسيله Rotary Switch اين فرايند مرتباٌ بين 50-200 بار در هوای محدود در فشار اتمسفر با مدت زمان جرقه زنی 3 ثانيه برای هر جرقه انجام می گيرد. سطوحی كه برای ته نشين سازی استفاده می شوند از قبل در دمای 380 درجه ی سلسيوس به مدت يك ساعت پخته شده بودند و بعد از آن در دمای بين 400 تا 800 درجه سلسيوس برای يك ساعت ديگر پخته می شوند.
2.5. روش تبخير حلال مستقيم محلول الكل شامل KOH و استات روی
كلوئيدهای نانو ذره ZnO بوسيله هيدروليز كردن استات روی در محلول متانول تشكيل می شود. محلول بازی KOH به محلول روی استات و متانول اضافه می شود. محلولی تيره قبل از توليد كلوئيدهای ZnO تشكيل می شود. در اين روش پودر روی استات به محلول KOH و متانول اضافه می شود و تا دمای 60 درجه سلسيوس گرم می شود. در هنگام شكل گيری نانو ذره های ZnO در محلول، حلال بطور مداوم با استفاده از تبخير كننده دوار از محلول حذف می شود. اندازه نانو ذره های توليد شده بدين روش 4-5 نانو متر است.
3.5. روش رسوب روی استات و آمونيوم كربنات
در اين روش نانو ذره های ZnO بوسيله ی تكليس پيش ماده در 450 درجه ی سلسيوس بمدت 3 ساعت و تكليس بعد از تقطير Azeotropic ناهمگن از پيش ماده توليد می شوند. در اين روش، پيش ماده نانو ذره ی ZnO بوسيله ی رسوب دهی از محلول های استات روی و آمونيوم كربنات تهيه می شود. نانو ذره های ZnO بدست می آيد كه بعد از تكليس سطح آنها با اسيد روغنی برای بهبود همسازی بين نانو ذره های معدنی و ماتريس های آلی روكش دار می شود. يك پيوند كووالانسی بوسيله ی واكنش شيميايی بين گروه های هيدروكسيليك بر روی سطح نانو ذره های ZnO و مولكول های آلی بلند زنجيره تشكيل می شود. از طرف ديگر سطح نانو ذره های ZnO با سيليس روكش دار می شوند. يك پيوند شيميايی دو رويه بين ZnO و SiO2 ايجاد می شود و فعاليت های كاتاليستی نانو ذره ZnOبطور قابل توجهی كاهش می يابد.
4.5. روش تجزيه پر اكسيد روی
در اين روش نانو ذرات ZnO با سوزاندن پر اكسيد روی در دمای بيش از 473 درجه كلوين بمدت 2 ساعت توليد می شوند. پر اكسيد روی در دمای 473 در جه كلوين برای تشكيل ZnO كه حاوی يون های پراكسيد است تجزيه می شود. نانو ذرات ZnO از طریق تجزيه پر اكسيد روی دردمای بيش از 513 درجه ی كلوين بدست می آيد كه دارای فضاهای خالی حاوی اكسيژن است. افزايش پارامتر واحد سلولی و كاهش انرژی اكتيواسيون برای هدايت الكتريكی بخاطر فضاهای حاوی اكسيژن مشاهده می شود.نانو ذرات در اين روش كشيدگی شبكه دارند.
بیشتر بدانیم : روش های تولید، خواص و کاربرد نانوساختارهای اکسید روی در نماهای بتنی
تابه امروز اشکال مختلفی از اکسید روی سنتز گشته که بعضی از آنها شامل ساختارهای منشوری [8]، دوهرمی، نانو مارپیچ، دمبلی شکل [9]، بیضوی [10]، کروی [11]، نانومیله [12]، نانوسیم [13]، نانوحلقه [14]، نانوتیوب [15] و ... می باشد. تاکنون روش های مختلفی برای سنتز نانوتیوب های اکسید روی پیشنهاد شده که شامل تبخیر حرارتی، اکسیداسیون پودر ZnS، فرآیندهای شیمیایی/الکتروشیمیایی، رشد آبی و روش های مبتنی بر قالب[8] می باشد. در اکثر آنها وجود کاتالیست، قالب و دمای بالا ضروری می باشد. همچنین مکانیسم دقیق تشکیل ساختارهای تیوب ای اکسید روی هنوز به طور کامل مشخص نشده است. بنابراین یافتن یک روش ساده و کم هزینه برای تولید نانوتیوب های اکسید روی از جهات مختلف علمی حائز اهمیت می باشد. تصاویر نانوتیوب، نانومارپیچ، نانوحلقه، دوهرمی، سوزنی شکل، نانو بوِرس و نانوسیم سنتز شده از اکسید روی را در شکل2 می بینید.
با رشد سریع و برق آسای شهرها و جوامع در عرصه های مختلف، هر روز سازه های ساختمانی جدید با تکنولوژی برتر به بازار عرضه می شود. یکی از مشکلات جدی در زمینه مصالح و سازه های مختلف، آلوده گشتن سطوح نماهای ساختمانی است. منشأ این آلودگی ها،گرد وغبار فراوان ناشی از آلودگی هوا در شهرهای بزرگ می باشد. در سال های اخیر، نانومواد به علت کارایی بالایی که در حوزه های وسیعی از صنایع مختلف دانش همچون الکترونیک، کاتالیست، سرامیک و سازههای ساختمانی دارد، گسترش قابل توجهی پیدا کرده است. یکی از پرکاربردترین و جالب ترین کاربردهای فناوری نانوتکنولوژی، ساخت سطوحی با قابلیت خودتمیز شوندگی است. ساختار شیمیایی چنین سطوحی شامل ذراتی در ابعاد نانومتر می باشد که توسط نورهای مختلف در محیط اطراف فعال شده و اصطلاحاً نانوساختارهای فتوکاتالیست نامیده می شود.
پدیده فتوکاتالیز برای نخستین بار توسط دو دانشمند ژاپنی به نام های هوندا و فوجیشیما در سال 1972 میلادی مطرح شد. از آن سال تاکنون تلاش های گسترده ای برای بهینه سازی کارایی مواد فتوکاتالیست انجام پذیرفته است. یکی از مهمترین گزینه های مورد نظر برای مواد فتوکاتالیست نانوساختارهای اکسید روی است. نتایج تحقیقات فراوان منجر به ساخت سطوح نمای ساختمانی خودتمیز شونده با کارایی های مختلف گردیده است. که نمونه هایی از آنرا در شکل 3 می بینید.
شکل 3- (الف) اجرای طرح نمای ساختمانی خود تمیزشونده در یک سازه، (ب) مقایسه یتن معمولی و بتنی با پوشیده شده از نانوذرات خود تمیز شونده اکسید روی
نمای بتنی خود تمیز شونده از جنبه های مختلف فنی و اقتصادی حائز اهمیت است. عمر مفید بالا، عدم آلودگی نما در طول زمان و خواص مقاومتی بهتر جزء ویژگی های این نوع نمای بتنی است. همچنین با ساخت آن می توان کمک شایانی به افزایش زیبا سازی شهری کرد.
منبع : سایت بتن پلاست
