تهيه سبز نانوذرههای نقره مورد استفاده در جوهرهای رسانا
به روش سونوشيميايي

سحر فروغيراد، مرضيه خطيبزاده*+
تهران ،دانشگاه صنعتي اميرکبير، دانشکده مهندسي پليمر و رنگ، صندوق پستي 51851 ـ 1154

چكيده:تهيه سبز نانوذرههای نقره در دمای محيط با استفاده از روش سونوشيميايي انجام گرفت که در طي آن از نقره نيترات بهعنوان پيشمادهی نقره، از ژلاتين و آسکوربيک اسيد به ترتيب بهعنوان پايدارکنندهی نقره و عامل احيا استفاده شد. اثر غلظت پايدارکننده، عامل احيا و زمان قرارگيری در معرض فراصوت در تهيه بررسي شد. بررسي اثر غلظت پايدارکننده و عامل احيا نشان داد که در غلظتهای مواد افزودني مقدارهای بهينهای وجود دارد که در صورت عبور از اين مقدارها يا استفاده کمتر از حد بهينه آنها، اختلال در فرايند تهيه بروز نموده و اندازه ذرهها و توزيع آنها را تحت تاثير خود قرار ميدهد .افزون بر آن، زمان قرارگيری در برابر فراصوت نيز در فرايند تهيه بسيار دارای اهميت بوده و اندازه ذرهها و توزيع آن را متاُثر مينمايد. با استفاده از مقدارهای بهينه، نانوذرههايي با قطری در بازهی 1 الي 9 نانومتر بهدست آمد. از آزمون اسپکتروفتومتری مرئي ـ فرابنفش بهمنظور ديدن پيک مشخصهی نانوذرههای نقره استـفاده شد و ديدن اين پيک در بازهی 114 – 144 نانومتر، حضور نانوذرههای نقره را در محلول نشان داد. از آزمون تفرق ديناميکي نور نيز برای بررسي دقيق و کمي اندازه ذرهها و توزيـع آنها استفاده شد.
نتيجهها نشان داد که در صورت استفاده از مقدارهای بهينه، ذراتي با اندازههای کوچکتر و توزيع باريکتر بهدست ميآيد.

واژههاي كليدي: نانوذرههای فلزی، نقره ،تهيه سبز ،فرايند سونوشيميايي.

KEY WORDS: Metal nanoparticles, Silver, Green synthesis, Sonochemical process.

مقدمه
دانش فناوری نانو يکي از داغترين بحثها در جهان امروز که از جملهی آن ميتوان به ويژگيهای نوری، الکتريکي ،است که توجه هر دو جامعه پژوهشگران و صنعت را به خود شيميايي، کاتاليستي، ضد باکتريايي)2( و … اشاره نمود [3 ، 2] .
جلب نمودهاست. به دليل ابعاد کوچک، نانوذرهها ويژگيهای فيزيکي آمادهسازی جوهرهای رسانا نيازمند پودری از نانوذرهها ميباشد و شيميايي متفاوتي نسبت به حالت توده از خودشان نشان ميدهند ]1[. که در محملي از جوهر پخش شده و به کمک دستگاههای چاپ در اين ميان نانوذرههای نقره به دليل ويژگي يگانه بر روی قطعهها اعمال شود. از کاربردهای جوهر رسانا در حيطهی و وابسته به اندازهشان)1( توجه ويژهای را جلب نمودهاند چاپ بر روی قطعات نوری ـ الکترونيکي)3( مانند فيلترهای رنگي

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
)5( Size dependent )4( Optoelectronic
)2( Antibacterial
1
ويژه نمايشگرهای کريستال رنگي)1( [4]، ديودهای آلي ساطعکنندهی نور)2( [5]، ترانزيستورهای فيلم نازک آلي و معدني)3( [6]، آنتنهای شناساگر فرکانس نوری)4( ]7[ و دستگاههای سنجش الکتريکي)5( مانند حسگرها [8 ، 1] هستند که در تمامي اين قطعهها، فيلم نازکي از جوهر که دارای ذرههای فلزی و در نتيجه رساناست چاپ ميشود [9]. از آنجايي که دهانه نازل در دستگاه چاپ جوهرافشان دارای قطری در حدود 21 ميکرون است، نانوذرههای مصرفي در جوهر بايد دارای اندازههايي کمتر از 111/1 قطر دهانهی نازل يعني بيشترين 211 نانومتر باشند تا از بسته شدن دهانهی نازل در حين چاپ جلوگيری شود [11 ، 11].
نکتهی دارای اهميت آن است که با عبور از مقياس ميکرون و ورود به مقياس نانو، نسبت سطح به حجم ذرهها افزايش مييابد و اين پديده تمايل ذرهها برای تجمع را افزايش ميدهد. در نتيجه، اين ذرهها کلوخه شده و مولکولهای هوا را بر روی سطح خود به دام مياندازند. اين کلوخهها و هوای گير افتاده در سامانه، مقاومت الکتريکي سامانه را بالا برده و در نتيجه از ميزان رسانايي آن ميکاهند [11].
ويژگيهای نانوذرههای تهيه شده به شدت وابسته به شيوهی تهيه و شرايط تجربي ميباشد. روشهای گوناگوني برای تهيه اين نانوذرهها مورد استفاده قرار ميگيرد که به طور کلي به دو دستهی فيزيکي و شيميايي تقسيم ميشوند. از روشهای فيزيکي ميتوان به استفاده از ليزر [12] و تابش الکترون [13] اشاره نمود. روشهای شيميايي متداول نيز شامل احيا به روش پلي اُلُ [14]، استفاده از پرتو مايکروويو [15]، احيای شيميايي [16 ، 17] و احيا به روش سونوشيميايي [21 ـ 18، 2] ميباشند.
از ميان روشهای موجود ،فرايند احيای شيميايي پرکاربردترين روش بودهاست .خوبيهای استفاده از اين روش زمان کوتاه واکنش در حدود چند دقيقه، فرايند ساده به دليل نياز نداشتن به دستگاه و تجهيزات خاص و گرانقيمت، و بازده بالاست. در فرايند تهيه نانوذرههای فلزی، که بهطور عموم به صورت محلول انجام ميگيرد، نمک فلزی محلول در آب به وسيلهی يک عامل احيا کننده به نانوذرههای فلزی تبديل ميشود. در طي فرايند، اغلب از مواد
)6( Stabilizing agent
)5( Capping agent
)8( Reducing agent
)9( Precipitating agent

2
فعال سطحي و يا از پليمرها به عنوان عامل پايدارکننده)6( استفاده ميشود. اين پليمرها به دليل داشتن ساختار بلند و پرشاخه ، به دام اندازندهی)7( يونهای فلز خواهند بود. در ادامه، با نفوذ عامل احيا)8( و يا عامل تهنشيني)9( به درون اين ساختار پليمری، يونهای فلز به نانوذرهها تبديل شده و تهنشين ميشوند. تاکنون گزارشهای زيادی در زمينهی تهيه نانوذرههای نقره ارايه شدهاست ، اما کماکان مشکلاتي نظير پايداری اين نانوذرات، اندازه ذرههای يکنواخت، حذف فراوردههای جانبي و خارجکردن پايدارکنندههای اضافي باقي ماندهاست [2].
تهيه بهروش سونوشيميايي در حقيقت کاربرد فرايند احيای شيميايي با کمک دستگاه فراصوت ميباشد. با استفاده از اين روش نسبت به روشهای ديگر، ميتوان به ذرههايي با اندازههای بسيار کوچکتر دستيافت. علت اين پديده را ميتوان به مکانيسم فرايند سونيکه شدن نسبت داد.
در اين پژوهش تهيه نانوذرات نقره با کمک دستگاه فراصوت انجام گرفت که سبب سادگي در انجام اين فرايند شد .افزون بر آن، در اين پژوهش تلاش شد تا نانوذرههای نقره با استفاده از مواد اوليه دوستدار محيط زيست تهيه شود، از همين رو است که به اين نوع تهيه، تهيه سبز گفته ميشود، چرا که تمامي مواد کاربردی و توليدشده در تهيه برای طبيعت بي ضرر هستند.

بخش تجربي
ويژگيهای مواد مصرفي
پودر سفيد رنگ نمک نقره نيترات از شرکت Merck آلمان خريداری شد که بهعنوان پيشماده نقره در سنتز بهکار بردهشد .پودر زرد رنگ آسکوربيک اسيد با وزن مولکولي 1/176 از شرکت MP هلند تهيه شد و در فرايند تهيه بهعنوان عامل احيا بهکاررفت. همچنين ژلاتين با درجه غذايي نيز از شرکت MP هلند خريداری شد و بهعنوان پايدارکنندهی شيميايي استفاده شد.
-41030673202

تمامي مواد بدون خالصسازی دوباره مورد استفاده قرارگرفتند .تمامي ظروف نيز قبل از مصرف با آب دوبار تقطيرشده شستشو داده شدند.
)5( Liquid Crystal Displays (LCDs)
)2( Organic Light Emitting Diodes (OLEDs)
)4( Thin Film Transistor
)1( Radio Electro Frequency Identification (RFID) Antennasanalytical
)1(

روش تهيه
تهيه مورد استفاده در اين پژوهش فرايند احيای شيميايي با کمک امواج فراصوت ميباشد. بهمنظور بررسي غلظت بهينه پايدارکننده، در ابتدا چهار نمونه با درصدهای وزني 25/1، 5/1 ، 1/1 و 5/1 از ژلاتين تهيه شد، بدين ترتيب که پودر ژلاتين در داخل 25 ميليليتر آب دوبار تقطيرشده در دمای اتاق حل شد .
سپس پودر نمک نقره نيترات به محلول افزوده شده و در آن حل شد.
بدين ترتيب نمک نيترات نقره تفکيک شده و به کاتيونهای نقره و آنيونهای نيترات تبديل ميشود. در ادامه و با قرار دادن محلول در معرض فراصوت ،يونهای نقره به طور کامل در داخل محلول پراکنده شده و ذرات ژلاتين نيز از سـر منفي خود به يونهای نقره نزديک شده و آنها را احاطه مينمايند [21]. پس از آن ،محلول به دست آمده به مدت 41 دقيقه تحت فراصوت با قدرت 151 وات در دمای محيط قرار گرفت. با افزودن تدريجي آسکوربيک اسيد به محلول در شرايط فراصوت، ذرههای کوچک آسکوربيک اسيد از ميان پليمرها نفوذ کرده و سبب احيای يونهای نقره و تبديل آن به نقرهی فلزی ميشوند. حضور چنين ذرههای پايدارکنندهای از بههم پيوستن و کلوخهشدن ذرات نقرهی فلزی جلوگيری نموده و نانوذرات نقره پديد ميآيند. شکل 1 شمايي از عملکرد پايدارکننده را در معرض فراصوت نشان ميدهد.
بهدنبال آن و برای بررسي غلظت عامل احيا، سه نمونه با درصدهای وزني متفاوت از عامل احيا )آسکوربيک اسيد(، با روشي همانند آنچه گفتهشد تهيه شدند و غلظتهای عامل احيا به ترتيب 1/1، 1/2 و 5/2 درصد وزني بود. پس از پايان فرايند تهيه و خالصسازی، نمونهها تحت آزمون قرارگرفته و غلظت بهينهی عامل احيا نيز معرفي شد.
شکل 1ـ شمايي از عملکرد پايدارکننده )ژلاتين( در معرض فراصوت.

دستگاههای کاربردی در حين سنتز
از دستگاه فراصوت Topsonic 411 وات، ساخت کشور ايران در حين سنتز و جهت پراکنش يکنواخت مواد مورد استفاده در محيط آبي استفاده شد. همچنين پس از پايان فرايند تهيه و برای
خالصسازی نانوذههای تهيه شده، از دستگاه سانتريفوژ
Hermle Z366 استفادهشد. محلول تهيهشده بار اول به مدت 45 دقيقه سانتريفوژ شد. پس از پايان کار نمونهها خارج شده، رسوب جدا شد و چندين بار با اتانول شستشو دادهشد و برای بار دوم به مدت
11 دقيقه سانتريفوژ شد. سرانجام رسوب خالص جداسازی شد.

دستگاههای ارزيابي و آزمون
از دستگاه طيف سنجي فرابنفش ـ مرئي با ويژگيهای
Analyticjena – Specord 210 بهمنظور ديدن پيک مشخصهی نانوذرههای نقره در بازهی 411 الي 451 نانومتر و همچنين برای مقايسهی کيفي اندازهی ذرات و توزيع آن با استفاده از شدت پيکها و پهنای آنها استفادهشد. همچنين از آزمون تفرق ديناميکي نور يا به اختصار DLS، با ويژگيهای Brookhaven – zet.pw32 برای مقايسه کمي و دقيق اندازه ذرهها و توزيع آن استفادهشد.

نتيجهها و بحث
بررسي اثر غلظت پايدارکننده )ژلاتين(
بهمنظور بررسي غلظت پايدارکننده در سنتز از چهار نمونه تهيه شده، با درصدهای وزني متفاوت از ژلاتين، طيف فرابنفش ـ مرئي از آنها گرفتهشد که نتيجههای آن در نمودار 1 قابل ديدن است.
4

900

000

000

000

200

300

400

200
0
/
1

3
/
1

2
/
1

0
/
1

0
/
0

0
/
0

3
/
0

2
/
0

0
/
0

جذب



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید