معرفی روش انفجار الکتریکی سیم

۱- مقدمه

در سال‌های اخیر، نانوذرات فلزی توجه دانشمندان و پژوهشگران را به خود جلب کرده‌اند. این نانوذرات به دلیل داشتن سطح در دسترس زیاد و درصد بالایی از اتم‌های سطحی، خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر بفردی از خود نشان می‌دهند[۱]. وجود این خواص باعث شده تا نانوذرات فلزی کاربرد‌های جذابی در زمینه‌های مختلف از جمله خواص کاتالیزوری، نوری، مغناطیسی، تصفیه آلاینده ها و ... داشته ‌باشند. اندازه، شکل هندسی، سطح در دسترس و در نتیجه خواص نانوذرات فلزی تابع روش تولید آنها می‌باشد. از میان روش‌های گوناگون فیزیکی و شیمیایی، روش انفجار الکتریکی سیم^[۱] یکی از ساده‌ترین روش‌های تولید نانوذرات فلزی و حتی برخی نانوذرات اکسیدی و کاربیدی می‌باشد. این روش بر مبنای تغییر فاز فیزیکی سیم‌های هادی است و با شرایط شدید مانند دمای بالا، فشار بالا، موج شوک قوی و تابش نور همراه است[۲].

در این روش، جریان الکتریکی بسیار زیادی از سیم نازک فلزی می‌گذرد و با توجه به مقاومت الکتریکی فلز، باعث انفجار آن می‌شود. شماتیک ساده‌ای از این روش را می توانید در شکل۱ مشاهده کنید.

شکل ۱- نمای کلی دستگاه انفجار الکتریکی سیم [۲]

۲- نحوه عملکرد و اجزای دستگاه

به دلیل جریان بالای عبوری از سطح مقطع سیم، در وهله اول، سیم ذوب شده و اجزای آن از هم جدا می‌شوند و طی چند میکروثانیه به حالت قطرات کوچک یا اتم‌های تبخیر شده در می‌آیند. چگالی جریان اعمالی معمولا بیشتر از ۱۰۰۰ آمپر بر مترمربع است. این جریان موجب اعمال انرژی حدود 6 الکترون ولت به ازای هر اتم می‌شود که انرژی برابر یا بیشتر از گرمای ویژه تبخیر فلز می‌باشد. پس از ذوب و تبخیر فلز مورد نظر، پلاسما تشکیل می‌شود[۳]. هنگامی که بخارات یک اتم خنثی به الکترون و یون‌های آن تجزیه می‌شوند و حالتی پایدار می‌سازند، به این حالت پلاسما گفته می‌شود که می‌تواند هادی الکتریسیته باشد. در اینجا، طول عمر پلاسما بیشتر از زمان انفجار سیم خواهد بود زیرا یون‌ها و الکترون‌های تشکیل شده می‌توانند پس از مدت کوتاهی از تبخیر شدن، رسانش الکتریکی خود را حفظ کنند[۴]. توزیع اندازه ذرات تشکیل شده معمولا گسترده است. در ابتدای انفجار الکتریکی سیم، سه فرآیند به‌طور همزمان رخ می‌دهند: ذوب شدن سیم فلزی، تشکیل پلاسما و تجزیه‌ی محیط خنک کننده. در مرحله اول، بخش اصلی جریان از تمام سطح مقطع سیم می‌گذرد و پس از ذوب شدن، قطرات از بخشی از سیم تشکیل می‌شوند؛ هم‌چنین، بخش دیگر سیم به حالت اتم‌های منفرد تبخیر می‌شود. به علت وجود انرژی زیاد در پالس الکتریکی، اتم‌ها می‌توانند برانگیخته شوند و بارهای جزئی یا کامل دریافت کنند. از اجزای فرایند، یک حباب پلاسمای گازی بلافاصله در زمان بسیار کوتاهی(۲۰-۴۰ نانوثانیه) تشکیل می‌شود. در این زمان کوتاه، اجزای پخش شده^[۲] اتمی با یکدیگر واکنش می‌دهند و حباب فرو می‌ریزد. مولکول‌های محصولات تشکیل شده متراکم می‌شوند؛ به جز محصولات گازی مانند کربن‌دی‌اکسید و متان. مرحله تراکم بسیار سریع اتفاق می‌افتد و محصولات، مورفولوژی‌های متفاوتی را نشان می‌دهند. دمای انفجار سیم حدود ۱۰۰۰۰ درجه کلوین و فشار فرایند ۱۰^۹ پاسکال می‌باشد[۵].

مزایای اصلی روش انفجار الکتریکی سیم نسبت به سایر روش‌های فیزیکی عبارتند از:

• بازده بالای انتقال انرژی؛ هنگامی که از روش انفجار الکتریکی سیم استفاده می‌شود، انرژی به‌طور ضربه‌ای و ناگهانی به سیم وارد می‌شود و هدررفت انرژی بسیار پایین می‌آید.
• قابلیت تنظیم اندازه و ریخت شناسی ذرات با استفاده از پارامترهای موجود
• قابلیت تولید انواع نانوذرات فلزی و غیرفلزی با توجه به جنس سیم و محیط واکنش
• هزینه پایین و ساده بودن فرایند

شماتیکی از دستگاه و اجزای آن در شکل۲ نشان داده شده است.

شکل ۲- نمای کلی از دستگاه و اجزای آن: ۱- منبع ولتاژ، ۲- خازن، ۳- تامین کننده سیم، ۴- سیم درحال انفجار، ۵- الکترود، ۶- سوئیچ، ۷- جمع کننده پودر، ۸- تهویه، ۹- محفظه انفجار[۵]

شکل۳- دستگاه انفجار الکتریکی سیم

۳- پارامترهای تاثیرگذار در فرایند انفجار الکتریکی سیم

خصوصیات نانوذرات تولیدی به روش انفجار الکتریکی سیم، به پارامتر‌های مختلفی وابسته هستند؛ از جمله پارامترهای جریان، طول و قطر سیم فلزی و محیط واکنش. درسال‌های اخیر پژوهش‌های زیادی برای مشخص کردن تاثیر هرکدام از پارامترها انجام شده است؛ مهم‌ترین آنها تاثیرات جریان و محیط واکنش هستند. با افزایش ولتاژ ورودی به سیم، جریان عبوری از آن افزایش خواهد یافت و در نتیجه آن، انرژی بیشتری بر واحد حجم سیم جابجا خواهد شد. انرژی(توان) عبوری بر واحد حجم سیم، چگالی توانی^[۳] نام دارد. هر چه چگالی توانی اعمالی بیشتر باشد یا به عبارتی توان ورودی به سیم مقدار بیشتری داشته باشد، فلز به‌طور کامل‌تری تبخیر می‌شود و بنابراین اندازه ذرات کوچکتر خواهد شد[۶]. انفجار الکتریکی سیم می‌تواند در محیط‌های گاز یا مایع انجام شود. شتاب‌دهی به تراکم بخار فلز و سرد کردن آن و افزایش طول عمر پلاسما منجر به جلوگیری از رشد کریستال‌ها شده و در نتیجه آن ذرات کوچکتری تولید خواهد شد [۷،۸]. به همین دلیل آب دیونیزه انتخاب مناسب‌تری نسبت به گاز برای محیط می‌باشد؛ زیرا تراکم پذیری آن پایین است، در ولتاژهای بالا پایدار بوده و گرمای ویژه بالایی دارد. در پژوهشی نشان داده شده که در محیط آب نسبت به گاز انتقال انرژی بالاتر و در نتیجه ذرات کوچکتری حاصل می‌شوند[۹]. هم‌چنین کاهش قطر سیم منجر به کاهش اندازه ذرات می‌شود؛ زیرا با کاهش قطر سیم مقاومت آن افزایش می‌یابد و بنابراین توان عبوری از آن بیشتر می‌شود.

۴- انواع نانومواد تولید شده به روش انفجار الکتریکی سیم

با توجه به جنس سیم و محیط واکنش، می‌توان نانوذرات مختلفی را تولید کرد. استفاده از فلزات نجیب در محیط‌های مختلف معمولا منجر به تولید نانوذرات فلزی می‌شود؛ درحالیکه سایر فلزات در محیط اکسیژن یا هوا نانوپودرهای اکسید فلزی تولید می‌کنند و در محیط گاز بی‌اثر می‌توانند نانوذرات فلزی تولید کنند. هم‌چنین نانوذرات مغناطیسی هسته پوسته آهن-نیکل را می‌توان از طریق کنترل میزان اکسیژن محیط و تغییر آن تولید کرد [۱۰]. کاربید فلزات مانند Al₄C₃, LaC₂, TiC, ZrC, NbC, Nb₂C, Ta₂C, MoC با استفاده از انفجار سیم‌های فلزی در محیط‌های اتان، استیلن و ترکیبی از آرگون و استیلن تولید شده‌اند[۱۱،۱۲]. در پژوهشی نانوذرات یک‌بعدی اکسید‌مس در محیط آب مقطر سنتز شده است[۱۳]. هم‌چنین نانوذرات تیتانیوم‌دی‌اکسید توسط انفجار سیم تیتانیوم در محیط اکسیژن تولید شده‌اند[۱۴]. نانوذرات تیتانیوم‌نیترید نیز توسط انفجار سیم تیتانیوم در محیط نیتروژن مایع تولید شده‌اند[۱۵]. طی پژوهشی جدید محققان توانسته‌اند گرافن تک‌لایه را با استفاده از این روش تولید کنند[۱۶].

به دلیل سطح زیاد و ناپایداری نانومواد، تمایل زیادی برای تجمع و کلوخه‌ای شدن در آنها وجود دارد. به همین دلیل برای جلوگیری از تجمع آنها می‌توان نانوذرات تولیدی را از طریق سورفکتانت‌ها از یکدیگر جدا کرد. برای این کار می‌توان به محیط آبی واکنش مقداری سورفکتانت مانند $\mathrm{PVP}$^[۴]، $\mathrm{PVA}$^[۵]، گلیسرول یا سایر سورفکتانت‌ها را اضافه نمود.

شکل۴- الف) نانوذرات تیتانیوم در اکسید تولیدشده به روش انفجار الکتریکی سیم و ب) گرافن تولید شده به همان روش [۱۵،۱۷]

۵- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

انفجار الکتریکی سیم، یک روش‌ساده بالابه‌پایین برای تولید نانوذرات فلزی و نانوپودرها می‌باشد. در این روش، براثر عبور جریان‌الکتریکی زیاد از سیم فلزی، می‌توان نانوساختارهای موردنظر را تولید کرد. عوامل موثر در فرایند انفجار الکتریکی سیم عبارتند از جریان عبوری، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی فلز و محیط واکنش. از مهم‌ترین مزایای این روش می‌توان به بازده بالا، ارزان بودن و ساده بودن فرایند اشاره کرد. 

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۶- مراجع

[1] Lázár, Károly, et al. “Electric Explosion of Steel Wires for Production of Nanoparticles: Reactions with the Liquid Media.” Journal of Alloys and Compounds, vol. 763, 2018, pp. 759–70, doi:https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.05.326.

[2] O. Antonov, S. Efimov, D. Yanuka, M. Kozlov, V. Gurovich, and Y. Krasik, “Generation of converging strong shock wave formed by microsecond timescale underwater electrical explosion of spherical wire array,” Appl. Phys. Lett., vol. 102, Mar. 2013.

[3] Gurovich, V., et al. “Simplified Model of Underwater Electrical Discharge.” Physical Review.E, Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics, vol. 69, Apr. 2004, p. 36402, doi:10.1103/PhysRevE.69.036402.

[4]O. Nazarenko, “Nanopowders produced by electrical explosion of wires,” no. September, pp. 16–20, 2007.

[5] Liu, Longchen, et al. “Influence of Energy Deposition on Characteristics of Nanopowders Synthesized by Electrical Explosion of Aluminum Wire in the Argon Gas.” Nanotechnology, IEEE Transactions On, vol. 13, July 2014, pp. 842–49, doi:10.1109/TNANO.2014.2325212.

[6]Wong, C., et al. “Effect of Ambient Gas Species on the Formation of Cu Nanoparticles in Wire Explosion Process.” Current Applied Physics, vol. 12, Sept. 2012, p. 1345, doi:10.1016/j.cap.2012.03.024.

[7]Bora, B., et al. “Understanding the Mechanism of Nanoparticle Formation in Wire Explosion Process.” Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, vol. 117, 2013, pp. 1–6, doi:https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2012.11.018.

[8]Cho, C. H., et al. “Effects of the Medium on Synthesis of Nanopowders by Wire Explosion Process.” Applied Physics Letters, vol. 91, Oct. 2007, p. 141501, doi:10.1063/1.2794724.

[9] Kurlyandskaya, G. V, et al. “Structure, Magnetic and Microwave Properties of FeNi Nanoparticles Obtained by Electric Explosion of Wire.” Journal of Alloys and Compounds, vol. 615, 2014, pp. S231–35, doi:https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.11.164.

[10]Cook, Eileen, and Bernard Siegel. “Carbide Synthesis by Metal Explosions in Acetylene.” Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, vol. 30, no. 7, 1968, pp. 1699–706, doi:https://doi.org/10.1016/0022-1902(68)80341-0.

[11] Krishnan, Shutesh, et al. “One Dimensional CuO Nanocrystals Synthesis by Electrical Explosion: A Study on Structural, Optical and Electronic Properties.” Journal of Alloys and Compounds, vol. 586, 2014, pp. 360–67, doi:https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.10.014.

[12]Wada, Naoyuki, et al. “Reaction Synthesis of Several Titanium Oxides through Electrical Wire Explosion in Air and in Water.” Ceramics International, vol. 39, no. 7, 2013, pp. 7927–33, doi:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.03.056.

[13] Kim, Wonbaek, et al. “Synthesis of TiN Nanoparticles by Explosion of Ti Wire in Nitrogen Gas.” Materials Transactions - MATER TRANS, vol. 50, Dec. 2009, pp. 2897–99, doi:10.2320/matertrans.M2009297.

[14] Gao, Xin, et al. “Preparation of Graphene by Electrical Explosion of Graphite Sticks.” Nanoscale, vol. 9, no. 30, The Royal Society of Chemistry, 2017, pp. 10639–46, doi:10.1039/C7NR01647F.

۷-پاورقی‌ها

[1]Electric explosion of wire(EEW)

[2]dispersed

[3]Power density

[4]Polyvinyl alcohol

[5]Polyvinylpyrrolidone