آزمایش شماره ۲۱: ساخت بلور با استفاده از روش رشد و هسته‌زایی

۱- هدف

 آشنایی با روش رشد و هسته‌زایی در تولید نانومواد

۲- تئوری آزمایش

در تولید و ساخت نانومواد، از دو رویکرد پایین‌به‌بالا و بالابه‌پایین استفاده می­شود.

در رویکرد پایین‌به‌بالا(Bottom-up approach)، از طریق ایجاد اتصالات شیمیایی بین اجزای کوچک‌تر، نانوذرات بزرگ‌تر ساخته می‌شوند. برای مثال، در روش احیا شیمیایی، از مواد اولیه‌­ای مانند یون‌های فلزی و مولکول‌های کوچک استفاده می‌شود و با ایجاد اتصالات شیمیایی، نانوذرات بزرگ‌تر با خصوصیات موردنظر تولید می‌شوند.

در رویکرد بالابه‌پایین(Top-down approach)، از مواد بزرگ‌تر استفاده می‌شود و تلاش می‌شود تا این مواد به ابعاد نانومتری تبدیل شوند. در این روش، از ابزارهای خاصی مانند لیتوگرافی، لیزر استفاده می‌شود تا مواد بزرگ‌تر را به ابعاد نانومتری بتوان تبدیل کرد. برای مثال، در روش لیتوگرافی، طرح موردنظر با استفاده از یک ماسک، بر روی زیرلایه ایجاد می­شود.

هر دو رویکرد دارای مزایا و معایب خود هستند و برای تولید نانومواد، انتخاب روش مناسب باید بر اساس کاربرد و نیاز انجام شود.

روش هسته‌زایی و رشد (Nucleation and Growth) یکی از روش‌های تولید نانومواد در رویکرد پایین‌به‌بالا است. در این روش، ابتدا هسته‌های کوچکی از مواد نانوساختاری در محیط شیمیایی موردنظر تشکیل می‌شوند و سپس این هسته‌ها به‌صورت پیوسته رشد می‌یابند تا به نانوذرات بزرگ‌تری تبدیل شوند. در این روش، برای تشکیل هسته‌های نانو، مواد شیمیایی را در محیط موردنظر تحریک می‌کنند. تحریک می‌تواند به‌صورت حرارت، تغییر pH، تغییر غلظت مواد، اضافه‌کردن عامل کاتالیزور باشد. پس از تشکیل هسته‌های نانو، این هسته‌ها به‌صورت پیوسته رشد می‌یابند تا به نانوذرات بزرگ‌تری تبدیل شوند.

شکل ۱- چسبیدن اتم‌­ها به یکدیگر در فرایند هسته­‌زایی و رشد

این روش در تولید نانومواد به دلیل سادگی و کارایی بالا، در صنایع مختلفی مانند الکترونیک، فوتونیک، پزشکی و سایر صنایع استفاده می‌شود. همچنین، انتخاب محیط شیمیایی و شرایط تحریک، می‌تواند به تنظیم اندازه، شکل و خصوصیات نانوذرات تولید شده کمک کند.

در روش هسته‌زایی و رشد، هسته‌های نانو ابتدا به‌صورت تصادفی در محیط شیمیایی تشکیل می‌شوند. این هسته‌های نانو بیشتر به دلیل نوسانات ترمودینامیکی در محیط، تشکیل می‌شوند. هنگامی که یک هسته نانویی تشکیل شود، محیط شیمیایی به‌صورت مرحله‌ای روی آن تحریک می‌شود تا رشد آن شروع شود. به‌طورکلی، رشد نانوذرات با افزایش تعداد اتم‌ها و یا مولکول‌ها درون‌هسته انجام می‌شود. در این روند، هسته به‌صورت پیوسته رشد می‌کند و به نانوذرات بزرگ‌تری تبدیل می‌شود.

برای تنظیم اندازه، شکل و خصوصیات نانوذرات تولید شده، شرایط تحریک و محیط شیمیایی مورداستفاده قابل‌تنظیم هستند. به‌عنوان‌مثال، با تغییر غلظت مواد شیمیایی و یا اضافه‌کردن کاتالیزورهای مختلف، می‌توان اندازه و خصوصیات نانوذرات تولید شده را تغییر داد. همچنین، با تنظیم دمای محیط و زمان واکنش می‌توان به شکل نانوذرات تولید شده تأثیر گذاشت.

۳- روش کار آزمایش

۱-۳- تجهیزات و مواد موردنیاز

- هیتر استیرر

- بشر

- نخ کنفی

- پودر سولفات مس: ۲۰ گرم

- آب مقطر: ۱۰۰ میلی‌لیتر

۲-۳- روش انجام آزمایش

یک بشر را به مقدار ۱۰۰ میلی­لیتر از آب پر کنید. سپس ۲۰ گرم پودر سولفات مس را به‌تدریج به آن اضافه کنید و محلول را هم بزنید تا غلیظ شود. بشر حاوی محلول را بروی هیتر استیرر گذاشته و نخ کنفی را داخل محلول کنید. آن را حرارت بدهید و کمی صبر کنید.

شکل ۲- ایجاد کریستال با استفاده از روش رشد و هسته­‌زایی

یک کریستال آبی تشکیل می­شود. محلول از نخ استفاده می­کند تا ذرات آن رشد کنند و بزرگ‌تر شوند. در اطراف نخ دیده می­شود، ماده جامد و بلوری رنگ تشکیل شده است. بلور یا کریستال به آرایش یا تجمع منظم ذرات می­گویند. جالب است بدانید این همان روشی است که در ساخت نبات از آن استفاده می‌شوند.

شکل ۳- ساختار منظم کریستال یا بلور سولفات مس

۴- پرسش

- در مورد کاربرد روش هسته­‌زایی و رشد در صنایع تحقیق نمایید.

- در مورد تأثیر درجه حرارت بر سرعت جوانه­‌زنی و رشد بلور تحقیق نمایید.

- در مورد نمونه­‌های این پدیده در طبیعت تحقیق نمایید؟