آزمایش شماره ۲: تولید نانو ذرات ضد باکتری نقره با روش انفجار الکتریکی سیم و بررسی خواص آنها

۱- هدف

- آشنایی با خواص نانو ذرات، روش انفجار الکتریکی سیم برای تولید نانو ذرات فلزی

- تولید نانو ذرات نقره با خاصیت ضد باکتری در محیط کلوئیدی آب

۲- تئوری آزمایش

۱-۲- معرفی نانو ذرات

ذرات را با در نظر گرفتن قطر آن‌ها دسته بندی می­کنند. ذرات درشت در بازه nm 10000 – 2500 قرار دارند؛ ذرات کوچک در بازه nm 2500 – 100 قرار داشته و ذرات بسیار کوچک (UFP)^[1] یا نانو ذرات^[2] اندازه­ای در حدود nm 1 الی nm 100 دارند. دلیل این دوگانگی در نام­گذاری این است که در آغاز مطالعات بنیادی در این زمینه به ذراتی با ابعاد زیر nm 100، ذرات بسیار کوچک گفته شد؛ اما هم اکنون چنین ذراتی را با نام نانوذرات می­‌شناسیم. نانو ذرات رفتاری وابسته به اندازه از خود بروز می‌­دهند که به­‌طور قابل ملاحظه­‌ای متفاوت از آنچه که از توده­ی^[3] همان ماده سراغ داریم، می­باشد. ساده­ترین رفتار، تغییر در رنگ نانو ذرات است. نکته مهم در این زمینه این است که ممکن است در برخی موارد اندازه یک مولکول در بازه تعریف نانو ذرات قرار گیرد؛ ولی به­‌طور معمول یک تک مولکول به­‌عنوان نانو ذره فرض نمی­گردد.

نانو خوشه­‌ها^[4] حداکثر اندزه­ای در حدود 1 تا nm 10 دارند و دارای توزیع اندازه باریکی هستند. نانو پودرها توده‌­های به­‌هم چسبیده­ای از نانو ذرات، نانو خوشه‌­ها یا نانو بلورها هستند. تک بلورهای نانو مقیاس نیز معمولاً با نام نانو بلورها شناخته می­‌شوند.

نانو ذرات و نانو پودرها کاربردهای بسیاری در زمینه­‌های مختلف دارند. این امر موجب شده است تا روش‌­های مختلفی برای تولید آن‌ها وجود داشته باشد. این روش‌­ها هر دو مجموعه اصلی بالا به پایین^[5] و پایین به بالا^[6] را شامل می­‌شوند. بسیاری از روش­‌های تولید نانو ذرات یا نانو پودرها روش­‌های متداولی هستند که پیش از این برای تولید انواع ذرات و پودرها مورد استفاده قرار گرفته‌­اند و امروزه با افزایش کنترل فرایند و اعمال برخی تغییرات و بهینه­‌سازی فرایند، تولید بی­بعدهای^[7] نانو ساختار با آنها ممکن شده است.

۲-۲- خواص نانو ذرات

نانو ذرات به دلیل اندازه بسیار کوچکشان و متأثر بودن از پدیده­‌های کوانتومی، خواص منحصر به­‌فردی از خود نشان می­‌دهند. مطالعه دقیق این خواص نیازمند دانش عمیقی از فیزیک حالت جامد، مکانیک کوانتوم و شیمی کوانتومی است. با این حال برخی از خواص را می‌­توان در سطح پایین­‌تری به­‌صورت ملموس بررسی کرد.

۱-۲-۲- اعداد جادویی

از جالب­ترین نکاتی که در مورد این نانو ساختارها به هنگام تشکیل وجود دارد، پیروی آنها از اعدادی موسوم به اعداد جادویی^[8] است. به این ترتیب که هنگامی که اتم­‌ها در کنار یکدیگر قرار می­گیرند تا خوشه­ای اتمی یا یک ذره­ای نانومتری را ایجاد کنند، از چیدمانی پیروی می­کنند که این ساختار کم­ترین سطح انرژی و بیشترین پایداری را داشته باشد. در این حالت سطوح انرژی به تعداد اتم­های تشکیل دهنده خوشه و یا ساختار ذره وابسته است. به­طور مثال با بررسی منحنی یونیزاسیون خوشه‌­های اتمی دیده می­‌شود که برای خوشه­‌های اتمی، همواره بیشینه منحنی یونش بر اعداد جادویی منطبق است. از این‌رو می­توان نتیجه گرفت که خوشه­‌های اتمی‌ای پایدار هستند که تعداد اتم­‌های آن‌ها برابر با اعداد جادیی آن‌ها باشد.

در صورتی که یک خوشه اتمی از تعداد اتم‌­های کمی تشکیل شده باشد (کم­تر از 1200 اتم)، پایداری خوشه ارتباط مستقیمی با سطوح انرژی الکترونیکی و الکترون­‌های والانس خواهد داشت. این پایداری هنگامی حاصل می‌­شود که ساختار الکترونیکی خوشه پایدار باشد و از نظر انرژی در حداقل سطح انرژی ممکن قرار داشته باشد. لذا تعداد اتم­‌هایی که چنین شرطی را برای یک خوشه اتمی  برآورده کند اعداد جادویی الکترونیکی آن ساختار نامیده می­‌شود.

با افزایش تعداد اتم‌­های ساختار، پایداری ذره علاوه بر ساختار الکترونیکی آن، به مشخصات هندسی ذره و نیز چگالی آن بستگی پیدا می­‌کند. معمولاً شکل کروی که دارای کم­ترین مقدار سطح به حجم است، بهترین شکل هندسی برای پایداری نانو ذرات را فراهم می­‌کند. برای چنین شرایطی که پایداری ذره به هندسه ذره وابستگی پیدا می­کند اعداد جادویی ساختاری تعریف می­‌شوند. از این‌رو دیده می­‌شود که پایداری خوشه­‌های اتمی کوچک، از اعداد جادویی الکترونیکی پیروی می­‌کند و برای خوشه­‌ها و ذرات بزرگ، پایداری بر اعداد جادویی ساختاری منطبق است.

۲-۲-۲- کاهش دمای ذوب

سطح انرژی نانو ذرات به اندازه ذره و نیز تعداد اتم­‌های خوشه اتمی ارتباط دارد. از آنجایی که نانو ذرات دارای سطح بالای انرژی سطحی و در نتیجه فاقد پایداری مناسب هستند، به راحتی می‌­توان با تزریق اندکی انرژی، اتم­‌های چنین ذراتی را از قید ساختار بلوری منظم ذره رهاند. این  بدان معنی است که انرژی لازم برای گسستن پیوند بلوری نانو ذرات فلزی و ذوب آن‌ها کم­تر از حالت توده­ای آن‌ها است. نکته مهمی که وجود دارد این است که کاهش دمای ذوب با قطر نانو ذرات ارتباط مستقیم دارد.

تاکنون روابط بسیاری برای پیش بینی دمای ذوب نانو ذرات ارائه شده است. در اکثر مدل­‌هایی که برای دمای ذوب نانو ذرات ارائه شد، نانو ذرات را ذراتی کروی، با سطحی همگن فرض کرده‌­اند و حاصل اکثر آن‌­ها نمودار خطی کاهش دمای ذوب با افزایش معکوس قطر نانو ذرات (D^-1) است. اکثر این معادلات از شکل کلی زیر پیروی می­‌کنند:

در رابطه  بالا، T_m(D) و T_mb به ترتیب دمای ذوب خوشه و دمای ذوب حالت توده­‌ای است؛ β ثابتی است که به خواص ماده ارتباط داشته و برای پیش بینی آن مدل­‌های بسیاری ارائه شده است. به هر حال امکان اندازه‌­گیری کمیت­‌های دخیل در روابط محاسبه β به راحتی وجود ندارد؛ حتی مدل­‌های مختلف مورد بررسی در محاسبه β برای گونه یکسان، مقادیر مختلفی نتیجه می‌­دهند. به­‌طور مثال مدل­‌های ارائه شده در سال‌­های 2002، 2005 و 2008 برای فلز ایندیم به ترتیب مقادیر 65/2، 79/3 و 737/0 را پیش بینی کرده­‌اند.

شکل 1- منحنی کاهش دمای ذوب نانو ذرات طلا با اندازه آنها را نشان می­‌دهد

۳- روش کار آزمایش

۱-۳- تجهیزات مورد نیاز

• سیم نقره­ای با قطر mm 25/0
• آب مقطر یون گیری شده
• دستگاه انفجار الکتریکی سیم

۲-۳- تولید نانو ذرات نقره با استفاده از روش انفجار الکتریکی سیم

• توصیه می‌شود پیش از کار با دستگاه، دستور العمل استفاده از دستگاه، تهیه شده توسط شرکت سازنده آن به­‌طور کامل مطالعه گردد.
• هشدار ایمنی: با توجه به وجود جریان الکتریکی بسیار قوی در این دستگاه ؛ به دلیل خطرات جانی استفاده از دستگاه در صورت عدم حضور مسئول آزمایشگاه ممنوع است.

۳-۳- نحوه استفاده از دستگاه انفجار الکتریکی سیم

ابتدا قرقره سیم مورد استفاده برای تولید نانو ذرات را در محل خود قرار داده و از روی غلطک موجود در سیستم تغذیه دستگاه عبور دهید. برای عملکرد بهتر سیستم تغذیه بهتر است سیم را روی غلطک یک دور بپیچید. سپس سیم را از میان سه پیچ موجود عبور دهید. این پیچ­‌ها وظیفه تاب­گیری از سیم را بر عهده دارند. سیم را از میان دو غلطک عبور داده و فاصله میان دو غلطک را با استفاده از پیچ پشتی آن تنظیم کنید. در نهایت سیم را درون لوله هدایت کننده قرار دهید.

• هشدار ایمنی: پیش از هر کاری حتماً از قطع بودن جریان فشار قوی دستگا اطمینان حاصل کنید. چراغ High Voltage باید بر روی سیستم کنترل خاموش باشد.

با فشار دادن دکمه feeding بر روی سیستم کنترلی دستگاه غلطک­‌های هدایت سیم، سیم را به درون محفظه انفجار هدایت می­‌کنند؛ این عمل را تا خارج شدن سیم از درون لوله و برخورد سیم با الکترود ولتاژ بالا ادامه دهید. سپس سیم­‌های انتقال جریان را بر روی درپوش محفظه انفجار وصل کنید. سیم قرمز مربوط به جریان ولتاژ بالا بوده و بایستی به درگاه وسط وصل گردد؛ سیم مشکی رنگ نیز اتصال زمین بوده و بایستی به درگاه کناری وصل شود.

پس از اتصال سیم‌­های رابط جریان، با استفاده از سیستم کنترل، مقادیر مربوط به ولتاژ اعمالی، نرخ تغذیه دستگاه و زمان فرایند را تنظیم کرده و فرایند تولید نانو ذرات فلزی با استفاده از انفجار الکتریکی سیم را آغاز کنید.

۴-۳-نحوه‌­ی انجام آزمایش

سیم نقره را بر روی دستگاه نصب کنید. محفظه انفجار را در حدود 60% حجم کل آن پر از آب مقطر کنید. طبق دستورالعمل سیم را با استفاده از سیستم تغذیه وارد محفظه انفجار کرده و سپس اتصال جریان را بر قرار کنید. با انتخاب V 400 به­‌عنوان ولتاژ جریان و mm/s 5/1 به‌­عنوان سرعت تغذیه سیم، در مدت زمان 1 دقیقه با انفجار الکتریکی سیم نقره­ای، نانو ذرات نقره تولید کنید. محلول حاوی نانو ذرات نقره را برای استفاده در مراحل بعد با دقت نگه­داری کنید.

• هشدار ایمنی: به‌­دلیل سمی بودن نانو ذرات نقره، از تماس محلول حاوی نانو ذرات با پوست جلوگیری کنید.
•  

۴- پرسش و پاسخ

• با در نظر گرفتن مقدار سیم مصرفی غلظت وزنی نانو ذرات در محیط محلول را محاسبه کنید. آیا این عدد دارای دقت کافی است؟ عوامل ایجاد خطا در عدد حاصل را بیان کنید و راهکاری برای دست­یابی به عدد دقیق بیان کنید.
• توضیح دهید چرا بایستی از آب مقطر بودن یون برای محیط کلوئیدی استفاده شود؟ در صورت حضور یون در محیط مایع چه اتفاقی خواهد افتاد؟
• محلول حاوی نانو ذرات نقره چه رنگی است؟ دلیل این تفاوت رنگ نانو ذرات نقره با نقره­‌ی توده‌­ای در چیست؟
• با گذشت زمان رنگ محلول اولیه چه تغییری می­‌کند؟ دلیل این تغییر در چست و چگونه می‌­توان از آن جلوگیری کرد؟
• کاربردهای نانو ذرات نقره را بیان کنید.
• کاربردهای نانو ذرات نقره را بیان کنید.

[1] ultrafine particle

[2] Nano particles

[3] Bulk

[4] Nano cluster

[5] Top - down

[6] Bottom - up

[7] Zero dimension

[8] magic number