برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۵/۲۶ تا ۱۳۹۸/۰۶/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۳۳۵
  • بازدید این ماه ۱۰۴
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۹۳
  • قبول شدگان ۲۱۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۹۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

طرح درس

منابع دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

معرفی روش مایکروویو و کاربرد آن در سنتز نانومواد

امواج مایکروویو (Microwaves) شکلی از تابش الکترومغناطیس با طول موجی در محدوده یک متر تا یک میلی‌متر است. روش‌های مبتنی بر امواج مایکروویو از اصول نظری خاصی پیروی می‌کند و یکی از مهم‌ترین کاربردهای آن‌ها، در صنایع گرمایشی است. از آن‌جایی‌که مبنای این روش‌ها بر اساس انجام واکنش‌های شیمیایی است، بنابراین موجب پدیدار شدن شاخه‌ای از علم شیمی به نام شیمی مایکروویو شده است. فرآیند گرمایش با استفاده از امواج مایکروویو از طریق چند مکانیزم کلی انجام می‌گیرد که اساس همه آن‌ها عبارت است از برهم‌کنش میان مؤلفه الکتریکی امواج مایکروویو با ترکیبات قطبی. با توجه به ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد این امواج در هنگام ایجاد گرمایش طی واکنش‌های شیمیایی، استفاده از روش مایکروویو کاربرد گسترده‌ای در سنتز نانومواد مختلف پیدا کرده است. در این مقاله، به طور اجمالی به معرفی امواج مایکروویو پرداخته شده و شیمی مایکروویو، تئوری گرمایش با این امواج و ویژگی‌های گرمایش حاصل از این امواج مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. سپس سنتز نانومواد مختلف با استفاده از امواج مایکروویو، به طور مفصل مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.

1- مقدمه

امواج مایکروویو (Microwaves) شکلی از تابش الکترومغناطیس با طول موجی در محدوده یک متر تا یک میلی‌متر و فرکانس بین 300 مگاهرتز (برای طول موج 1 متر) تا 300 گیگاهرتز (برای طول موج 1 میلی‌متر) است. این امواج به‌طور گسترده‌ای در حوزه ارتباطات (communication)  و نیز در فرآیند گرمایش (heating) به کار می‌روند. اولین بار در سال 1946، برهم‌کنش مؤثر امواج مایکروویو با مواد مختلف، با ذوب‌شدن شکلات با استفاده از این امواج شناخته شد و به گرمایش با مایکروویو (Microwave heating) معروف شد. چند سال پس از آن و در سال 1952، اولین مایکروویو تجاری توسط شرکت رایتئون (Raytheon Company) ساخته شد و باعث شکل‌گیری انقلابی بزرگ در استفاده از این امواج به عنوان منبع گرما شد. شکل 1 محدوده امواج مایکروویو، طول موج، اندازه حدود طول موج و فرکانس آن‌ در طیف الکترومغناطیس را نشان می‌دهد.

 

شکل 1- محدوده امواج مایکروویو، طول موج، اندازه حدود طول موج و فرکانس طول موج آن‌ در طیف الکترومغناطیس.

 

به‌طور کلی، امواج مایکروویو دارای دو کاربرد اصلی در زمینه‌های ارتباطات و گرمایش هستند. در حوزه ارتباطات، معمولاً از یک موج مایکروویو با فرکانس، فاز و شدت تنظیم‌شده و مشخص، برای انتقال و جابه‌جایی اطلاعات استفاده می‌شود. از طرفی، اساس استفاده از این امواج برای ایجاد گرمایش عبارت است از برهم‌کنش مؤلفه الکتریکی امواج مایکروویو (با توان و شدت مناسب) با ترکیبات مختلف. این برهم‌کنش به صورت یک پاسخ دی‌الکتریک پدیدار شده و باعث ایجاد گرما می‌شود. به همین دلیل، و علی‌رغم برخی مخالفت‌ها با این نام‌گذاری، به گرمایش حاصل از امواج مایکروویو، گرمایش دی‌الکتریک (Dielectric heating) نیز گفته می‌شود. گرمایش دی‌الکتریک نوعی گرمایش القاشده توسط امواج با فرکانس‌های بالا بوده و در سال 1933 به ثبت رسیده است. علاوه بر دو کاربرد اصلی اشاره‌شده، از امواج مایکروویو برای جابه‌جایی انرژی الکتریکی نیز استفاده می‌شود. شبکه‌های برق‌رسانی با سیم، بیشترین کاربرد را در انتقال انرژی الکتریکی دارند. یکی از اصلی‌ترین چالش‌ها در این زمینه، انتقال برق بدون استفاده از کابل و سیم است، به‌طوری که با حذف انتقال برق توسط سیم، تحولی بزرگ در صنایع مختلف رقم می‌خورد. انتقال بی‌سیم انرژی یا برق در هر سیستم، فرآیندی است در آن که انرژی الکتریکی بدون استفاده از سیم انتقال می‌یابد. متداول‌ترین روش انتقال انرژی الکتریکی بدون سیم (وایرلس)، روش القای الکترومغناطیس با استفاده از امواج مایکروویو و لیزر است. برای مطالعه بیشتر در مورد روش‌های بی‌سیم انتقال انرژی الکتریکی به پیوست 1 در انتهای متن مراجعه کنید.

 

2- شیمی مایکروویو
همان‌طوری که در بخش‌های قبلی اشاره شد، یکی از مهم‌ترین کاربردهای امواج مایکروویو ایجاد گرمایش است که در چند دهه اخیر توسعه یافته و موجب پدیدار‌شدن شاخه ای از علم شیمی به نام "شیمی مایکروویو" شده است. با مطالعاتی که روی انرژی امواج مایکروویو در حین انجام واکنش‌های شیمیایی انجام گرفته، ثابت شده است که استفاده از این امواج باعث بهبود سینتیک (سرعت واکنش‌ها) و خاصیت انتخابی‌بودن واکنش‌ها (selectivity) می‌شود. امروزه می‌توان واکنش‌های شیمیایی متعددی از قبیل سنتز ترکیبات مختلف آلی و معدنی، جذب انتخابی (selective absorption)، واکنش‌های اکسایش-کاهش، پلیمریزاسیون، واکنش‌های کاتالیستی و سنتز گستره انواع مختلفی از نانوذرات مانند اکسید روی، اکسید قلع و طلا را توسط امواج مایکروویو انجام داد. اصول و مبانی واکنش‌های اکسایش-کاهش به طور مفصل در مقاله "کاربردهای الکتروشیمی در علوم و فناوری نانو-1" بیان خواهد شد. 

دستگاه‌های مورد استفاده در کاربردهای صنعتی، تحقیقاتی و پزشکی در محدوده فرکانس 46-45 گیگاهرتز قرار دارند. بنابراین، مواد، ترکیبات، حلال‌ها و واکنشگرهای (reagents) به‌کار‌ رفته در این دستگاه‌ها، توانایی جذب امواج مایکروویو و تبدیل آن به گرما را دارند.

هنگام برخورد امواج مایکروویو به این ترکیبات، برهم‌کنش‌هایی بین آن‌ها رخ می‌دهد که اساس این برهم‌کنش‌ها دو مکانیزم اصلی است. این مکانیز‌م‌ها عبارتند از برهم‌کنش‌های دوقطبی (dipole interactions) و هدایت یونی (ionic conduction). شکل 2 شمایی از هدایت یونی و برهم‌کنش‌های دوقطبی را نشان می‌دهد.

 

شکل 2- شمایی از مکانیزم‌های هدایت یونی و برهم‌کنش‌های دوقطبی تحت شرایط مایکروویو.

 

اساس هر دو مکانیزم، جفت‌شدن (coupling) مؤثر اجزای این ترکیبات و میدان الکتریکی در حال نوسان امواج مایکروویو است. در صورتی‌که مولکول‌های دوقطبی در معرض میدان مایکروویو قرار بگیرند، برهم‌کنش دوقطبی رخ می‌دهد. مولکول دوقطبی مولکولی است که از نظر بار الکتریکی خنثی بوده و حداقل یک بار مثبت و یک بار منفی با خود حمل می‌کند. برای اطلاعات بیشتر در مورد دوقطبی‌ها به پیوست 2 در انتهای متن مراجعه کنید. این مولکول‌ها با این‌که روی اتم‌های جداگانه خود بار الکتریکی دارند، اما به شکل یون مثبت و منفی نیستند. با عبور امواج مایکروویو از مجاورت مولکول‌های دوقطبی، هر دو انتهای قطبی این مولکول‌ها به موازات نوسانات میدان الکتریکی حاصل از امواج مایکروویو شروع به بازآرایی (re-orientation) و نوسان می‌کنند (شکل 2-الف). نوسانات به‌وجود‌آمده در مولکول‌ها موجب افزایش تعداد برخورد به یکدیگر و در نتیجه افزایش دما خواهد شد. در مکانیزم برهم‌کنش دوقطبی، مقدار جفت‌شدگی رابطه مستقیم با میزان قطبی‌بودن مولکول‌ها دارد، به‌طوری‌که هر چه مولکول قطبی‌تر باشد، جفت‌شدگی ناشی از برخورد امواج مایکروویو با آن‌ها بیشتر خواهد بود.

اساس هدایت یونی تحت اثر میدان مایکروویو تا حد زیادی مشابه برهم‌کنش‌های دوقطبی است. همان‌طوری که اشاره شد، تفاوت این دو مکانیزم، باردار بودن یون‌ها است. این ذرات باردار که در سرتاسر محلول پخش شده‌اند با میدان الکتریکی ناشی از امواج مایکروویو جفت شده و دامنه حرکت خود را افزایش می‌دهند. با افزایش دامنه حرکت، تعداد برخوردها افزایش یافته و در نهایت منجر به افزایش دما می‌شود (شکل 2-ب). بنابراین، در مکانیزم هدایت یونی، غلظت یون‌ها یک عامل بسیار مهم در تعیین بازده گرمایش حاصل از امواج مایکروویو است.

علاوه بر مکانیزم‌های اشاره شده، مکانیزم "اتلاف مغناطیسی" (magnetic loss) نیز می‌تواند در تولید گرما با استفاده از امواج مایکروویو مؤثر باشد. البته این مکانیزم فقط مختص برخی ترکیبات با خواص مغناطیسی مشخص مانند اکسیدهای فلزی است. در این مکانیزم، ترکیبات دارای خواص مغناطیسی، در اثر برهم‌کنش با امواج مایکروویو خاصیت مغناطیسی خود را از دست داده و انرژی خود را به صورت گرما آزاد می‌کنند.

 

3- تئوری ساده‌شده گرمایش حاصل از امواج مایکروویو
امواج مایکروویو، امواج الکترومغناطیسی در حال نوسان با طول موج و فرکانس مشخص هستند که می‌توانند در اثر برهم‌کنش با برخی ترکیبات خاص، باعث گرمایش شوند. بیشترین بازده امواج مایکروویو در تولید گرما زمانی حاصل می‌شود که در محدوده 915-45/2 گیگاهرتز تولید شده و با ترکیبات مورد نظر واکنش دهند. بخش عمده‌ای از برهم‌کنش میان امواج مایکروویو و ترکیبات شیمیایی مختلف به صورت قطبیت القاشده توسط میدان الکتریکی امواج، ظاهر می‌شود. بازده تبدیل انرژی الکترومغناطیس به گرما به میزان گذردهی (permittivity) که با *ε نشان داده می‌شود، بستگی دارد. *ε به صورت رابطه زیر معرفی می‌شود:

(1)  

بخش حقیقی رابطه (1)، ′ε، گذردهی حقیقی (real permittivity) یا ثابت دی‌الکتریک نام دارد و نشان‌دهنده میزان قطبش (polarization) یک ترکیب در اثر اعمال میدان الکتریکی خارجی است. قسمت موهومی رابطه، شامل   و ′′ε است که مؤلفه اتلاف دی‌الکتریک (dielectric loss factor) نام دارد و نشان‌دهنده بازده تبدیل انرژی الکترومغناطیس به گرما و به عبارت دیگر، میزان جذب امواج توسط ترکیب مورد نظر است. بخشی از اتلاف دی‌الکتریک، که خود نشان‌دهنده مقدار گرمای تولید‌شده است، ناشی از یک جریان الکتریکی حقیقی القا‌شده در گونه فلزی است. بنابراین، هر دو بخش حقیقی و موهومی در تعیین مقدار بازده تبدیل انرژی الکترومغناطیسی به گرما تأثیر قابل‌توجهی خواهند داشت. با این حال، نمی‌توان در تمامی موارد از مؤلفه اتلاف دی‌الکتریک به‌تنهایی برای محاسبه میزان اتلاف استفاده کرد. در این‌صورت، از ترکیب خطی ثابت دی‌الکتریک و مؤلفه اتلاف دی‌الکتریک استفاده شده و کمیت دیگری تحت عنوان تانژانت اتلاف (loss tangent) یا tan δ معرفی می‌شود که به صورت رابطه تعریف می‌شود‌:  

(2)  

در رابطه 2، ′′ε و ′ε به ترتیب نشان‌دهنده اتلاف دی‌الکتریک و ثابت دی‌الکتریک هستند. همچنین، tanδ بیان‌گر ظرفیت ماده (ترکیب) برای تولید گرما بوده و هرچه مقدار آن افزایش یابد، توانایی ماده برای ایجاد گرما از طریق برهم‌کنش با امواج مایکروویو بیشتر خواهد بود. بنابراین، برای دست‌یابی به بیشینه مقدار گرمایش از این امواج، واکنش‌های شیمیایی باید در محیطی انجام شوند که tanδ  بالایی داشته باشد. آب، اتانول، استیک اسید، دی‌متیل‌فرم‌آمید (DMF) و دی‌متیل‌سولفواکسید (DMSO) از محیط‌هایی هستند که tanδ  بالایی دارند. به‌طور کلی، آب یکی از بهترین محیط‌ها برای برهم‌کنش ترکیبات با امواج مایکروویو است. دو ویژگی اصلی که آب را به محیطی مناسب و متمایز برای تولید گرما تبدیل کرده‌ است، عبارتند از:

· انتخاب‌پذیری امواج مایکروویو نسبت به آب (selectivity toward water) و به عبارت ساده‌تر، تمایل امواج مایکروویو برای واکنش در محیط آبی.

· سمی‌نبودن آب و عدم ایجاد مشکلات جانبی برای سلامت انسان و محیط‌زیست. آب به عنوان حلال سبز (green solvent) شناخته می‌شود.

جدول 1 مقادیر tanδ برای برخی از محیط‌های (حلال‌های) متداول در تولید گرما با امواج مایکروویو را نشان می‌دهد.

 

جدول 1- مقادیر tanδ  برخی از محیط‌های (حلال‌های) متداول در تولید گرما با امواج مایکروویو

 

به‌طور کلی، برهم‌کنش امواج مایکروویو با مواد مختلف به سه دسته اصلی تقسیم می‌شود که عبارتند از: بازتاب امواج از سطح ماده، جذب توسط ماده و عبور از ماده. شکل 3 شمایی از انواع برهم‌کنش امواج مایکروویو با مواد مختلف را نشان می‌دهد. 

 

شکل 3- شمایی از انواع برهم‌کنش امواج مایکروویو با مواد مختلف.

 

4- خصوصیات گرمایش با مایکروویو
منابع متداول مورد استفاده برای تأمین گرمای واکنش‌های شیمیایی عبارتند از: حمام روغن، آب گرم، شعله گاز و گرمکن‌های الکتریکی. این منابع گرمای مورد نیاز برای انجام واکنش‌ها را از طریق مکانیزم‌های همرفت (convection)، رسانش (conduction) و تابش (radiation) تأمین می‌کنند. با در نظر گرفتن این واقعیت که تنها ترکیبات دی‌الکتریک قادر به تولید حرارت از طریق جذب امواج مایکروویو هستند، رعایت دو نکته زیر برای دست‌یابی به حداکثر بازده تولید گرما با امواج مایکروویو ضروری است:

· استفاده از ظرف واکنش با tanδ کوچک مانند کوارتز، تفلون و برخی از سرامیک‌ها.  

· استفاده از واکنش‌دهنده‌هایی با tanδ بزرگ.

با مقایسه توان و نرخ گرمایش و سرمایش حاصل از امواج مایکروویو و گرمکن‌های الکتریکی، نشان داده شده است که نرخ گرمایش و سرمایش با استفاده از امواج مایکروویو بیشتر از گرمکن‌های الکتریکی است. شکل 4 مقایسه‌ای از بیشینه دمای آب گرم‌شده توسط امواج مایکروویو و گرمکن‌های الکتریکی، همراه با نرخ گرمایش و سرمایش آن‌ها را نشان می‌دهد. طبق منحنی‌ها، 50 ثانیه پس از تابش امواج مایکروویو به آب، دمای آن به 84 درجه سانتی‌گراد رسیده و با توقف گرمایش، طی 40 ثانیه دمای آن به میزان 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. در سویی دیگر و در شرایط یکسان، دمای آب پس از 50 ثانیه گرمایش با گرمکن الکتریکی به 47 درجه سانتی‌گراد رسیده و با توقف گرمایش، طی مدت 40 ثانیه، تنها 6 درجه سانتی‌گراد از دمای آن کاسته شده است.

 


شکل 4- مقایسه‌ای از بیشینه دمای آب گرم‌شده توسط امواج مایکروویو و گرمکن‌های الکتریکی به همراه با نرخ گرمایش و سرمایش آن‌ها.

 

یکی از اصلی‌ترین چالش‌ها در تولید گرما با استفاده از روش‌های متداول، جهت‌دار بودن گرمای تولید‌شده از قسمت بیرونی سیستم به قسمت داخلی آن است. به همین دلیل، گرم‌ترین بخش سیستم، به‌خصوص در مراحل ابتدایی گرمایش، دیواره‌های ظرف واکنش خواهد بود. بنابراین، پس از توقف گرمایش، قسمت‌های مختلف سیستم با نرخ یکسانی سرد نخواهند شد.  

استفاده از امواج مایکروویو، با ایجاد گرمایش همگن (homogeneous) در سرتاسر سیستم به‌خوبی بر این چالش غلبه کرده است. به عبارت دیگر، در گرمایش با امواج مایکروویو، دمای آب در سرتاسر محیط واکنش به‌طور یکنواخت افزایش می‌یابد. پس از توقف گرمایش در این روش، حرارت تولید‌شده از طریق دیواره‌های ظرف واکنش به محیط پیرامون منتقل شده و باعث کمتر شدن دما در مجاورت دیواره‌ها در مقایسه با قسمت‌های مرکزی می‌شود. نیم‌رخ دمایی گرمایش توسط دو روش امواج مایکروویو و حمام روغن در شکل 5 نشان داده شده است.



شکل 5- نیم‌رخ دمایی گرمایش توسط دو روش (الف) امواج مایکروویو و (ب) حمام روغن.

 

1-4- فوق‌گرمایش (Superheating)
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌ها در سنتز مواد شیمیایی، نقطه جوش حلال به کار رفته در آن است. یک حلال یا به‌طور کلی یک ماده زمانی به جوش می‌آید که در تماس با بخار خود باشد. بنابراین، اگر در مجاورت فاز مایع، بخاری از جنس خودش وجود نداشته باشد، به جوش نیامده و می‎توان آن را بدون اینکه شروع به جوشیدن کند، به دمایی بالاتر از نقطه جوشش رساند. به این پدیده در اصطلاح " فوق‌گرمایش" گفته می‌شود.

در هنگام گرمایش با مایکروویو این امکان وجود دارد که حتی زمانی که حلال در دمای جوش خود قرار داشته باشد، به جوش نیاید. در این حالت محلول در یک شرایط شبه‌پایدار (metastable) قرار دارد. از طرفی، چون در هنگام گرمایش با مایکروویو، محلول با سرعت زیادی در نواحی داخلی گرم می‌شود، ایجاد بخار از محلول با کمی تأخیر صورت می‌گیرد. بنابراین، امکان ایجاد پدیده فوق گرمایش در یک محلول با استفاده از مایکروویو وجود دارد.

 

2-4- گرمایش انتخابی (Selective heating) 

استفاده از مایکروویو توانایی تولید گرما با استفاده از تمامی گونه‌ها و ترکیبات را نداشته و تنها برخی از این ترکیبات قادر به تولید حرارت در حضور مایکروویو طبق مکانیزم‌های اشاره‌شده هستند. بنابراین، فرآیند گرمایش با مایکروویو یک فرآیند انتخابی است. خاصیت انتخاب‌پذیری تولید گرما با مایکروویو یکی از برجسته‌ترین ویژگی‌های آن بوده و نقش به‌سزایی در سنتز مواد شیمیایی دارد. در واکنش‌های کاتالیستی با استفاده از کاتالیزورها می‌توان از این ویژگی مایکروویو استفاده کرد و سیستم را به‌گونه‌ای طراحی کرد که فقط کاتالیزور گرم شده و به دمایی بالاتر از محلول برسد.

یکی دیگر از کاربردهایی که از ویژگی انتخاب‌پذیری تولید گرما با مایکروویو نشأت می‌گیرد، امکان انجام واکنش‌ها در سطح مقطع دو فاز مختلف مانند مایع و جامد است. انجام چنین واکنش‌هایی با سیستم‌های گرمایش سنتی بسیار مشکل است، اما با توجه به خاصیت انتخاب‌پذیری مایکروویو، می‌‌توان سیستم را طوری طراحی کرد که فقط یک فاز گرم شود. واکنش هافمن (شکل 6) مثالی از واکنش شیمیایی بین آب و کلروفرم است که از خاصیت انتخاب‌پذیری مایکروویو در پیشرفت آن استفاده می‌شود.  

 


شکل 6- کاربرد ویژگی انتخاب‌پذیری تولید گرما با مایکروویو در انجام واکنش هافمن.

 

5- سنتز نانومواد با استفاده از مایکروویو
می‌توان تولید ترکیبات نانومقیاس را سرآغاز بسیاری از پیشرفت‌ها در بخش‌های مختلف علم مانند شیمی، فیزیک، مواد، الکترونیک و پزشکی قلمداد کرد. انتخاب روش سنتز یک ترکیب نانومقیاس، اصلی‌ترین و مهم‌ترین عامل مؤثر در تعیین خواص نهایی آن است، زیرا خواص یک نانوماده بستگی به شدت به اندازه، شکل و ساختار آن دارد. می‌توان اصلی‌ترین روش‌های سنتز نانومواد را به دو گروه کلی "‌بالا‌به‌پایین" و "پایین‌به‌بالا" تقسیم‌بندی کرد. برای مطالعه بیشتر در مورد روش‌های سنتز نانومواد به پیوست 3 در انتهای متن مراجعه کنید. بسیاری از روش‌های "پایین‌به‌بالا" شامل سه مرحله اصلی جوانه‌زنی (nucleation)، رشد (growth) و رسوب‌گذاری (precipitation) هستند. به دلیل وابستگی شدید مرحله رشد به سینتیک و ترمودینامیک واکنش سنتز، این مرحله تأثیر به‌سزایی روی خواص نهایی نانومواد تولید‌شده خواهد داشت.

هنگام سنتز نانومواد با استفاده از سیستم‌های گرمایشی سنتی و متداول، ظرف واکنش به عنوان یک حد واسط در انتقال انرژی از منبع به مولکول‌های حلال و واکنش‌دهنده‌ها عمل کرده و باعث به‌وجود آمدن گرادیان حرارتی شدید در محلول و همچنین، غیریکنواختی آن شده و بازده واکنش را به شدت کاهش خواهد داد. با توجه به اینکه خواص و کیفیت نهایی نانومواد به شدت به سرعت مراحل جوانه‌زنی و رشد بستگی دارد، این غیریکنواختی باعث بروز مشکلاتی در سنتز نانوذرات با سیستم‌های گرمایشی سنتی و متداول شده است.

در مقابل، گرمایش با مایکروویو می‌تواند باعث کاهش قابل‌ملاحظه مشکلات ناشی از غیریکنواختی گرمایش شود. همچنین، همانطور که در شکل 4 مشاهده می‌شود، نرخ گرمایش اولیه (رسیدن محلول به دمای مورد نظر برای شروع واکنش) با استفاده از مایکروویو افزایش یافته و فرآیند سنتز تسریع می‌شود. بنابراین، با کاهش زمان انجام واکنش‌های شیمیایی از چند ساعت به چند دقیقه، بازده انرژی نیز افزایش خواهد یافت. عوامل مؤثر بر خواص نهایی نانومواد سنتز‌شده با مایکروویو عبارتند از نوع حلال، ترکیب شیمیایی واکنش‌دهنده، عوامل پوشش‌دهنده، دما، فشار و فرکانس امواج.

مزایای استفاده از مایکروویو در سنتز نانومواد عبارتند از: بازده بالا، آلودگی محیط‌زیستی کم (دوست‌دار محیط زیست) و صرفه اقتصادی.

البته، بلورینگی و خواص نوری برخی از ترکیبات نانومتری سنتز‌شده با این روش کمتر از روش‎های دیگر است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) از نانوذرات سنتز شده با روش‌های حرارت‌دهی مستقیم و مایکروویو در شکل 7 نشان داده شده است. همان‌طور که از تصاویر مشخص است، امکان سنتز نانوذرات ریزتر با استفاده از روش مایکروویو وجود دارد.

 

شکل 7 .- تصاویر TEM از نانوذرات سنتز‌شده با روش‌های (الف) حرارت‌دهی مستقیم و (ب) مایکروویو.


از روش مایکروویو برای سنتز گستره وسیعی از نانومواد با ابعاد و ساختار کنترل‌شده استفاده می‌شود که در این‌جا به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود:

·  نانوذرات فلزی مانند طلا، نقره، پالادیوم، پلاتین و غیره با ساختارهای مختلف (نانوذره، نانومیله و نانوصفحه).

·  نانوذرات اکسید فلزی مانند ‌اکسید تیتانیوم (TiO2)، اکسید روی (ZnO2)، اکسیدهای آهن (Fe3O4, Fe2O3)  با ساختارهای مختلف

·  نقاط کوانتومی مانند CdTe، CdSe، ZnS، ZnSe، PbSe و غیره.

· نانوذرات هسته-پوسته (Core-Shell) مانند  CdSe-CdS، CdSe-ZnS و غیره.

· نانوساختارهای مختلف سلنیوم و تلوریم

· برخی نانوساختارهای کربنی مانند گرافن

· ترکیبات نانومتخلخل (Nanoporous Materials) مانند زئولیت‌ها، ترکیبات سیلیکاتی و غیره.

· ترکیبات کامپوزیتی مانند نانوذرات طلا-نانولوله‌های کربنی، نانوذرات پلاتین-نانولوله‌های کربنی و غیره.

شکل 8 مراحل تولید نانوذرات اکسید روی با استفاده از مایکروویو را نشان می‌دهد.

 

شکل 8- مراحل تولید نانوذرات اکسید روی با استفاده از مایکروویو.

 

6- نتیجه‎گیری
امواج مایکروویو شکلی از تابش الکترومغناطیس با طول موجی در محدوده یک متر تا یک میلی‌متر هستند. استفاده از مایکروویو باعث بهبود سینتیک (سرعت واکنش‌ها) و انتخاب‌پذیری واکنش‌ها می‌شود. می‌توان توسط امواج مایکروویو واکنش‌های شیمیایی متعددی از قبیل سنتز ترکیبات مختلف آلی و معدنی، جذب انتخابی،  واکنش‌های اکسایش-کاهش، پلیمریزاسیون، واکنش‌های کاتالیستی و سنتز گستره وسیعی از نانوذرات مانند اکسید روی، اکسید قلع، طلا و غیره را پیش برد. در این مقاله، مکانیزم‌های حاکم بر برهم‌کنش مایکروویو با مواد مورد مطالعه قرار گرفت. سپس، نظریه گرمایش حاصل از مایکروویو به شکل ساده‌شده بررسی شد. طبق این نظریه، امواج مایکروویو به عنوان امواج الکترومغناطیسی در حال نوسان با طول موج و فرکانس مشخص می‌توانند در اثر برهم‌کنش با برخی ترکیبات خاص، باعث گرمایش آن‌ها شوند. توان و نرخ گرمایش و سرمایش حاصل از امواج مایکروویو بسیار بیشتر از سیستم‌های متداول مانند گرمکن‌های الکتریکی است. در ادامه، فوق‌گرمایش و انتخاب‌پذیری در گرمایش مایکروویو مورد بررسی قرار گرفت. روش مایکروویو توانایی تولید گرما با استفاده از تمامی گونه‌ها و ترکیبات را نداشته و تنها برخی از ترکیبات قادرند در حضور مایکروویو، طبق مکانیزم‌های مشخص حرارت تولید کنند. گرمایش با مایکروویو دارای مزایای فراوانی است که از جمله آن‌ها می‌توان به کاهش قابل‌توجه مشکلات ناشی از غیریکنواختی گرمایش و امکان سنتز گستره وسیعی از نانومواد با خواص عالی و کنترل شده مانند نانوذرات فلزی، نانوذرات اکسید فلزی و غیره اشاره کرد. 

 

پیوست‌ها

پیوست 1

تاکنون سه روش برای انتقال جریان الکتریکی (برق) بدون استفاده از سیم و کابل معرفی شده است که عبارتند از:

(1) استفاده از امواج رادیویی.

(2) انتقال برق با استفاده از لیزر فروسرخ متصل به سلول فوتوولتائیک. از این روش برای تأمین انرژی الکتریکی با مصرف پایین، کمتر از 10 ولت، استفاده می‌شود. لامپ‌های کوچک یکی از ابزارهایی است که می‌توان انرژی الکتریکی موردنیاز آن‌ها را با استفاده از این روش تأمین کرد.

(3) القای مغناطیسی. این روش بهترین روش برای استفاده در کاربردهای بزرگ و متداول‌ترین روش انتقال انرژی الکتریکی به شکل بی‌سیم است. اساس روش‌های نوین القای مغناطیسی برای تولید بی‌سیم برق، استفاده از امواج مایکروویو و لیزرها است.

 

پیوست 2

مولکول‌های قطبی به مولکول‌هایی گفته می‌شود که الکترونگاتیوی (تمایل برای جذب الکترون) عناصر سازنده آن‌ها با یکدیگر متفاوت است. در اثر این تفاوت، ابر الکترونی یا توزیع بار در اطراف مولکول متفاوت بوده و در یک سمت تجمع بارهای مثبت و در سمت دیگر تجمع بارهای منفی بیشتر خواهد بود.

ضریب‌دی‌الکتریک (dielectric constant) معیار توانایی یک حلال در جداسازی یون‌های مثبت و منفی از یکدیگر است. هر چه مقدار این ضریب بیشتر باشد، حلال قطبی‌تر شده و در نتیجه میزان جذب امواج مایکروویو و تبدیل آن به گرما توسط مولکول‌های حلال افزایش خواهد یافت. به همین دلیل، در برخی از منابع به گرمایش حاصل از امواج مایکروویو، گرمایش دی الکتریک نیز گفته می‎شود.

 

پیوست 3

روش بالا‌به‌پایین: در این روش با استفاده از ابزارهای پیشرفته، مواد از جسم حجیم جدا شده و جسم کوچک می‌شود تا به مقیاس نانومتری برسد.

روش پایین‌به‌بالا :این روش دقیقاً در جهت مخالف روش بالا‌به‌پایین است. در این روش مواد نانومتری با به‌هم‌پیوستن بلوک‌های سازنده مانند اتم‌ها و مولکول‌ها و قرار دادن آن‎ها در کنار یکدیگر و یا استفاده از خودآرایی تولید می‌شوند. خودآرایی عبارت است از طراحی مولکول‌ها و ابرمولکول‌هایی که اساس تشکیل آن‌ها مکمل‌بودن شکل ساختاری است.

 

منابـــع و مراجــــع

1. Horikoshi, S. and N. Serpone, Microwaves in nanoparticle synthesis: fundamentals and applications. 2013: John Wiley & Sons

2. Shinohara, N., Power without wires. Microwave Magazine, IEEE, 2011. 12(7): p. S64-S73

3. Tompsett, G.A., W.C. Conner, and K.S. Yngvesson, Microwave synthesis of nanoporous materials. ChemPhysChem, 2006. 7(2): p. 296-319

4. Leonelli, C. and T.J. Mason, Microwave and ultrasonic processing: now a realistic option for industry. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2010. 49(9): p. 885-900

5. Polshettiwar, V. and R.S. Varma, Aqueous microwave assisted chemistry: Synthesis and catalysis. 2010: Royal Society of Chemistry

6. Zlotorzynski, A., The application of microwave radiation to analytical and environmental chemistry. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 1995. 25(1): p. 43-76.