سه‌شنبه 04 شهریور 1404 کد خبر: 179
آشنایی با تجهیزات در علوم و فناوری نانو
آبکاری الکتریکی یک روش الکتروشیمیایی برای سنتز لایه‌های نازک فلزی روی زیرلایه‌های رسانا است. از مزایای این روش می‌توان به توانایی رسوب‌دهی فلزات خالص، آلیاژهای مختلف، مواد کامپوزیتی و هم‌چنین توانایی لایه نشانی در دمای اتاق اشاره کرد. آبکاری الکتریکی، یک فرآیند پوشش‌دهی لایه نازک روی سطح فلزات مختلف به منظور بهبود و اصلاح خواص سطحی (از قبیل مقاومت به سایش، اکسیداسیون و خوردگی) است. قسمتی که قرار است پوشش روی آن رسوب داده شود، کاتد نام دارد. آند هم معمولاً از جنس فلزی است که قرار است در سمت دیگر آبکاری شود. هر دو جز در محلولی که الکترولیت نام دارد، غوطه‌ور می‌شوند. الکترولیت شامل یک یا چندین نمک فلزی محلول و هم‌چنین یون است که اجازه جریان یافتن الکتریسیته را می‌دهد. منبع توان (ترانس) جریان مستقیم به آند را تأمین کرده و باعث اکسیداسیون اتم‌های فلزی موجود شده و اجازه می‌دهد تا در محلول حل شوند. یون‌های فلزی حل شده در محلول الکترولیت در فصل مشترک بین محلول و کاتد احیا شده و روی کاتد رسوب می‌کنند. نرخ انحلال آند برابر با نرخ رسوب‌گذاری روی کاتد است. با این روش یون‌های موجود در حمام الکترولیت به طور پیوسته توسط آند ذخیره‌سازی می‌شوند. آبکاری یک فرآیند ساده و کم‌هزینه است که دانشمندان می‌توانند از آن برای ایجاد لایه‌های نازک، پوشش‌ها، نانوسیم‌ها و سایر ساختارهای نانومقیاس استفاده کنند. دانشمندان از ابزارها و تجهیزات ویژه‌ای برای کار در مقیاس نانو استفاده می‌کنند. فرآیند آبکاری می‌تواند لایه‌هایی به ضخامت نانومتر از مواد را رسوب دهد. (یک نانومتر یک میلیاردم متر است.) محققان می‌توانند با کنترل دقیق جریان عبوری از مدار، ضخامت لایه آبکاری شده را به طور قابل اعتمادی کنترل کنند.
شکل ۱-آبکاری الکتریکی نانویی
پارامترهای مؤثر بر خواص و ضخامت فیلم نازک سنتز شده با روش آبکاری الکتریکی عبارتند از: ترکیب شیمیایی الکترولیت، پایداری الکترولیت، PH حمام، دمای حمام، سرعت هم‌زدن حمام، چگالی جریان اعمالی به آند و سطح کاتد.
مس تنها یکی از فلزات بسیاری است که برای آبکاری الکتریکی استفاده می‌شود. نمونه‌های دیگر شامل روی، طلا، نقره و پلاتین هستند. آبکاری الکتریکی به دلایل مختلفی مانند ایجاد لایه‌های محافظ نازک روی خودروها یا هواپیماها یا پوشش جواهرات با فلزات گرانبها مانند طلا استفاده می‌شود.آبکاری به اهداف مختلف انجام می‌شود.
کاربردها و خصوصیات
حفاظت از خوردگی: آبکاری نانو می‌تواند از فلزات در برابر عوامل خورنده محیطی محافظت کند و عمر مفید آنها را افزایش دهد.
افزایش مقاومت: این فرآیند می‌تواند مقاومت فلزات در برابر سایش، خراشیدگی و فشار را افزایش دهد.
بهبود خواص ظاهری: آبکاری نانو می‌تواند به فلزات جلوه‌ای براق و زیبا ببخشد و مقاومت آنها در برابر لکه و کثیفی را افزایش دهد.
کاربرد در صنعت
صنعت خودروسازی :آبکاری در تولید قطعاتی مانند سپرها، رینگ‌ها و اجزای داخلی خودروها برای افزایش مقاومت و زیبایی استفاده می‌شود.
صنایع هوافضا :آبکاری برای افزایش مقاومت قطعات در برابر خوردگی و سایش در محیط‌های خاص این صنعت به کار می‌رود.
صنعت ساخت و ساز :آبکاری با فلزاتی مانند روی (گالوانیزه) برای محافظت از قطعات فلزی در برابر خوردگی در محیط‌های مرطوب و خورنده استفاده می‌شود.
صنایع دیگر :آبکاری در ساخت ابزارآلات، تجهیزات پزشکی، لوازم خانگی و سایر صنایع برای بهبود خواص سطحی و افزایش عمر مفید قطعات کاربرد دارد.
۳- تئوری آزمایش:
سولفات مس یا کات کبود یک ترکیب شیمیایی با فرمول CuSO4 یا 5 آبه است. این ماده (که در اصل از خانواده نمک‌هاست) مجموع چند ترکیب است که در میزان آبپوشیدگی با هم تفاوت دارند. شکل بی آب مس سولفات، پودر سبز کم رنگ یا سفید مایل به خاکستری است؛ در حالی که مس سولفات پنج آبه که رایج‌ترین شکل این ماده است، به رنگ آبی روشن است.
سولفات مس خاصیت قارچ کشی دارد، دانشمندان موفق به کشف اثر ضد باکتریایی و ضد ویروسی سطوح مس شده اند. یون مس آزاد شده از این سطوح، در عرض چند ساعت کلیه باکتری ها، قارچ ها و ویروس ها را نابود می کند. هیچ میکروارگانیسمی پیدا نشده که بتواند در برابر توانایی یون مس زنده بماند.
این ماده شیمیایی نوعی محرک شناخته شده و برای افردی که دایماً در مجاورت آن قرار دارد ضرر دارد. مشکلاتی مثل خارش یا اگزما‌های پوستی با در تماس قرار گرفتن با این ترکیب به وجود می‌آید.
شکل 2-مس سولفات 5 آبه
۴-۲- روش انجام آزمایش
قبل از انجام این فعالیت، محلول سولفات مس را آماده کنید:
بطری حاوی 90 گرم سولفات مس پنتاهیدرات (CuSO4•5H2O) را با آب مقطر (تقریباً 1 لیتر) پر کنید. خوب مخلوط کنید. حجم ظرف الکترولیت هم 100 سی سی باشد. (غلظت محلول 90 گرم در لیتر برابر با 0.36 مولار است.)
دما حدود 20 روی استیرر و محلول را با چند قطره اسید PH محلول را در محدوده ی 0.5 تا 1 تنظیم کنید. سطح الکترود کار و مرجع قبل و بعد از انجام پوشش دهی با آب مقطر شسته و با استون خشک شود.
ایمنی: آزمایش رو زیر هود انجام بدهید و حتما از ماسک، عینک و دستکش استفاده کنید. در این غلظت، محلول سولفات مس برای استفاده با بازدیدکنندگان ایمن است. برای اطلاعات ایمنی خاص در مورد محلول سولفات مس، به برگه اطلاعات ایمنی مواد مراجعه کنید. در تمام مدت انجام این فعالیت، بر بازدیدکنندگان نظارت داشته باشید. به بازدیدکنندگان اجازه نوشیدن محلول را ندهید. برخی از اشیاء در این فعالیت ممکن است برای کودکان خردسال خطر خفگی ایجاد کنند.
نکات: برای نشان دادن اینکه آبکاری الکتریکی به برق نیاز دارد، می توانید سکه و میله مسی را بدون اتصال اولیه به باتری، در محلول نمک فرو ببرید.
مطمئن شوید که سکه و مس را به پایانه های صحیح باتری وصل می کنید. مس همیشه باید به سمت مثبت باتری و سکه به سمت منفی وصل شود.
تقسیم کننده پلاستیکی برای جدا کردن سکه و میله مسی در نظر گرفته شده است. مطمئن شوید که سکه و میله مسی در حالی که به باتری وصل هستند، با هم تماس پیدا نکنند. این کار باعث اتصال کوتاه باتری و تخلیه سریع آن می شود.
برای یک پوشش خوب، سکه و میله مسی باید سطح تمیزی داشته باشند. میله مسی گاهی اوقات یک لایه اکسیداسیون قهوه ای مایل به سبز پیدا می کند که معمولاً می توان آن را با اسفنج پاک کرد. برای تمیز کردن سکه ها می توانید از یک پد شستشوی بدون خش استفاده کنید. برای سکه‌های کثیف تر ممکن است بخواهید آنها را در سرکه خیس کنید. تیغه مس خالص سطح سکه یا کلید با شوینده چربی زدایی شود.
اگر پوشش مسی خیلی قابل توجه نیست، کمی بیشتر صبر کنید قبل از اینکه سکه و میله مسی را خارج کنید.
تمیز کردن: محلول سولفات مس را می توان به طور نامحدود دوباره استفاده کرد. پس از استفاده، محلول را به یک بطری در بسته برگردانید و در مکانی خنک و خشک نگهداری کنید. محلول را آن را در سینک نریزید.
شکل 3-شمای کلی از آزمایش
۵- پرسش
طراح: عارفه زارعی شیریان
منابع
