برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۴/۰۱ تا ۱۳۹۸/۰۴/۰۷

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۷۷
  • بازدید این ماه ۳۲
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۶۶
  • قبول شدگان ۵۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۲
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 1

طرح درس

منابع دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

سنتز پوشش‎های نانومتخلخل آلومینا (2)

سنتز نانوساختارها با استفاده از الگوهای منظم، از اهمیت ویژه‌ای در پژوهش‌های مرتبط با نانوفناوری برخوردار است. از این الگوها در سنتز بسیاری از نانوساختارها مانند نانولوله‌‌های کربنی، نانوسیم‌ها و نانومیله‌ها استفاده می‌شود. قالب­‎های نانومتخلخل یکی از معروف‌ترین الگوهای منظم هستند. این قالب‌ها، لایه‎ها یا پوشش‌های متخلخلی حاوی تعداد زیادی حفره هستند که هر یک از آن‎ها، به‌عنوان مکانی مناسب برای جوانه‌زنی و رشد نانوساختارها عمل می‌کنند. آلومینای نانومتخلخل به‌دست آمده از فرآیند آندایزینگ، یکی از متداول‌ترین قالب‌های نانومتخلخل در سنتز نانوساختارها است. در این مقاله، به‌طور اجمالی به معرفی قالب‌های نانومتخلخل پرداخته می‌شود و روش‌های ساخت آن‌ها‌ مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. سپس مراحل ساخت قالب آلومینای نانومتخلخل و عوامل مؤثر بر آن، به تفصیل مورد مطالعه قرار خواهند گرفت.

1- مقدمه

تمرکز اصلی در مقاله حاضر، بر روی کاربردهای الکتروشیمی در علوم و فناوری نانو خواهد بود. مهندسی سطح، یکی از موضوعات مهم و چالش‌برانگیز در حوزه فناوری‌های نانو به‌شمار می‌رود و امروزه پژوهش‌های گسترده‌ای در زمینه سنتز نانوپوشش‌های مقاوم در برابر انواع خوردگی‌ها در حال انجام است. پوشش‌های نانوکامپوزیتی که اغلب با وارد کردن نانوذرات تقویت‌کننده به زمینه‌ فلزی یا آلیاژی سنتز می‌شوند، کاربرد وسیعی در صنایع مختلف مانند صنایع هوافضا، خودروسازی و حسگرها دارند. در این مقاله، به‌طور اجمالی به معرفی الگوهای اکسید آلومینیوم (آلومینا) پرداخته می‌شود و روش‌های ساخت آن‌ها با استفاده از فرآیندهای الکتروشیمیایی معرفی می‌شوند.

 

2- آرایه‌های نانومواد یک بعدی

سنتز نانوساختارها با استفاده از الگوهای منظم (template synthesis) از اهمیت ویژه‌ای در پژوهش‌های مرتبط با فناوری‌های نانو برخوردار است. از الگوهای منظم می‌توان در سنتز نانولوله‌های کربنی استفاده کرد. نانولوله‌های سنتز شده با استفاده از این الگوها، به‌صورت آرایه­‎های منظم در کنار یکدیگر و بر روی یک سطح معین تشکیل می‌شوند. شکل 1 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی جذابی است که از رشد تعداد زیادی نانولوله کربنی به‌صورت آرایه‌هایی منظم از سطح قالب (الگو) گرفته شده است.

 

شکل 1- تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از رشد تعداد زیادی نانولوله کربنی به‌صورت آرایه‌های منظم بر روی سطح قالب.

 

نانولوله کربنی به دلیل ساختار بلوری و خواص منحصر به فرد خود، در بسیاری از ادوات نانوالکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده به‌دلیل مساحت سطحی بالا، ساختار توخالی (hollow structures)، استحکام مکانیکی بالا، خواص الکتریکی عالی و وجود ساختارهای منحصر به فرد در پیوندهای الکترونی، به‌طور گسترده در ذخیره‌سازی انرژی، مواد نانوکامپوزیتی و ساخت ادوات نانوالکترونیکی مانند نانوحسگرها به کار می‌رود. داشتن سطوحی با ساختار­ نانومتری، برای بهبود کارایی سخت­‌افزارها و ادوات ذخیره اطلاعات مانند دیسک‌های سخت بسیار مؤثر است.

 همچنین رهاسازی دارو در نقاط مختلف بدن، یکی دیگر از کاربردهای آرایه‌های یک بعدی است. برای این منظور، آرایه‌­ای از حفرات نانومتری (nano-channel) بر روی سیلیکون ایجاد می‌شود و رهاسازی دارو از طریق این نانوحفرات صورت می‌گیرد.

 

3- قالب‌های نانومتخلخل

روش­‌های مختلفی برای ساخت یک الگوی منظم و تکرارشونده از ساختارهای نانومتری (مانند نانوسیم‎­ها، نانولوله‎­ها و نانومیله‎­ها) بر روی سطح، وجود دارد. یکی از این روش‎­ها استفاده از قالب­‎های نانومتخلخلی است که با فرآیندهای الکتروشیمیایی به‌دست می‌آید. به‌طور کلی، از لایه‌ها یا پوشش‌های متخلخل حاوی تعداد زیادی حفره، به‌عنوان الگو استفاده می‌شود. در چنین ساختارهایی، هر یک از حفرات موجود، به‌عنوان مکانی مناسب برای جوانه‌زنی و رشد یک نانولوله یا نانوسیم عمل می‌کند. لایه آلومینای متخلخل، یکی از پوشش‌های متخلخلی است که به‌طور گسترده در سنتز نانوساختارها مورد استفاده قرار می‌گیرد. شکل 2-الف شمایی از قالب متخلخل آلومینایی مورد استفاده در سنتز نانوساختارها و شکل 2-ب، شمایی از مراحل رشد نانوساختارها درون قالب متخلخل آلومینایی را نشان می‌دهد.

 

شکل 2- (الف) شمایی از قالب آلومینیای متخلخل مورد استفاده در سنتز نانوساختارها؛ و (ب) شمایی از مراحل تشکیل نانوساختارها (نانومیله‌ها) درون قالب متخلخل (ترتیب مراحل از 1 تا 6). طبق تصویر، پس از رشد نانومیله‌ها، قالب حذف می‌شود.

 

شکل 3 شمایی از قالب‌های متخلخل به‌کار رفته در سنتز نانولوله‌ها و نانومیله‌ها را نشان می‌دهد. همچنین شکل 4-الف تصویر SEM از سطح پوشش آلومینای متخلخل مورد استفاده در رشد آرایه‌های نانوساختار و شکل 4-ب تصویر SEM سطح (surface) و سطح مقطع (cross section) لایه متخلخل آلومینا را نشان می‌دهد.

 

شکل 3- شمایی از قالب‌های متخلخل به‌کار رفته در سنتز نانولوله‌ها و نانومیله‌ها.

 

شکل 4- (الف) تصویر SEM  از سطح پوشش متخلخل آلومینایی مورد استفاده در سنتز آرایه‌های نانوساختار؛ و (ب) تصویر SEM  از سطح مقطع و سطح پوشش متخلخل آلومینا.

 

شکل 5 تصویری از نانوسیم‌های کبالت سنتز شده با استفاده از قالب آلومینای متخلخل (شکل 4-الف) را نشان می‌دهد. نانوسیم‌ها، استوانه‌هایی بسیار نازک با نسبت ابعادی (طول به عرض) بالای 1000 هستند که کاربرد وسیعی در ساخت ادوات الکترونیکی، تولید و ذخیره انرژی و پزشکی دارند.

 

شکل 5- تصویری از نانوسیم‌های کبالت سنتز شده با استفاده از قالب آلومینای متخلخل.

 

فرآیند سنتز نانوساختارهایی مانند نانوسیم‌­ها، نانولوله­‎ها و نانومیله‌ها با استفاده از الگوهای متخلخل، دو مرحله اصلی دارد. مرحله اول، ساخت قالب متخلخل (مشبک) و مرحله دوم سنتز نانوساختار مورد نظر از طریق قالب متخلخل است. در ادامه به تشریح مراحل ساخت قالب متخلخل آلومینایی با استفاده از روش الکتروشیمیایی پرداخته می‌شود.

 

4- آلومینای نانومتخلخل

یکی از روش‌های رایج برای ساخت قالب آلومینایی نانومتخلخل (nanoporous alumina template)، استفاده از اکسیداسیون آلومینیوم در داخل یک الکترولیت است. در این روش الکتروشیمیایی، از آلومینیوم به‌عنوان آند استفاده می‌شود. آلومینای نانومتخلخل، محصول واکنش اکسایش آندی آلومینیوم در سطح آند است که به‌صورت یک لایه متخلخل، روی آلومینیوم تشکیل می‌شود. به فرآیند اکسیداسیون آندی آلومینیوم، «آندایزینگ» (anodizing) گفته می‌شود. شکل 6 شمایی از فرآیند آندایزینگ به‌کار رفته برای سنتز نانولوله‌های تیتانیوم‌دی‌اکسید (TiO2 nanotubes) را نشان می‌دهد.

 

شکل 6- شمایی از فرآیند آندایزینگ به‌کار رفته در سنتز نانولوله‌های تیتانیوم‌دی‌اکسید [2].

 

پرسش: دلیل استفاده از آلومینیوم برای تولید آلومینای متخلخل مورد استفاده به‌عنوان قالب در رشد نانومواد چیست؟ آیا می‌توان از مواد فلزی دیگر نیز استفاده کرد؟ مزایای آلومینیوم نسبت به دیگر فلزات در این زمینه چیست؟

تاکنون علاوه بر Al، از فلزاتی دیگری مانند Si، Ti، Zr، Nb، Hf، و Sn هم برای تولید قالب‌های متخلخل استفاده شده است. با این وجود، استفاده از آلومینیوم به‌دلیل ارزان‌تر بودن و اکسیداسیون آندی راحت‌تر آن، بسیار رایج‌تر از دیگر فلزات است.

 

5- آندایزینگ آلومینیوم

تجهیزات مورد استفاده برای فرآیند آندایزینگ آلومینیوم با استفاده از روش الکتروشیمیایی شامل الکترولیت، آند (آلومینیوم)، کاتد و منبع تغذیه است. شکل 7 شمایی از فرآیند آندایزینگ را نشان می‌دهد.

 

شکل 7- شمایی از فرآیند آندایزینگ [4].

 

در حین فرآیند آندایزینگ، واکنش اکسایش بر روی آند (آلومینیوم) انجام می‌شود. در اثر واکنش بین آلومینیوم و اکسیژن، لایه‌ای از آلومینا (Al2O3) روی آند تشکیل می‌شود.

مقدار pH الکترولیت تاثیر چشمگیری بر روی تشکیل لایه متخلخل آلومینا روی آند دارد، به‌طوری که اگر از الکترولیت با pH 5 تا 7 استفاده شود، لایه تشکیل شده روی آند به‌صورت پیوسته و بدون حفره خواهد بود. الکترولیت­‌های متداول مورد استفاده در  ساخت لایه آلومینای پیوسته و بدون تخلخل عبارتند از: (1) بوریک اسید (boric acid)؛ (2) آمونیوم بورات (ammonium borate)؛ و (3) آمونیوم تارتارات (ammonium tartrate).

برای ساخت لایه آلومینای متخلخل، از الکترولیت­‌های اسیدی (با مقادیر pH پایین) استفاده می­‎شود. الکترولیت‌های مورد استفاده در تولید لایه متخلخل آلومینا عبارتند از: (1) سولفوریک اسید (sulfuric acid)؛ (2) اگزالیک اسید (oxalic acid)؛ (3) فسفریک اسید (phosphoric acid)؛ و (4) کرومیک اسید (chromic acid). علاوه بر pH الکترولیت به‌کار رفته در فرآیند، مدت زمان فرآیند و میزان جریان تولیدی توسط منبع تغذیه نیز تأثیر مهمی بر خواص نهایی لایه متخلخل تولید شده می‌گذارند. شکل 8 شمایی از لایه آلومینای تولید شده روی آند آلومینیومی را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود، لایه متخلخل آلومینا، به‌صورت شبکه‌ای فشرده از سلول­‎های 6وجهی چسبیده به یکدیگر تشکیل می‌شود. در مرکز هر یک از این سلول‌های 6وجهی، یک حفره قرار دارد.

 

شکل 8- شمایی از لایه آلومینای تولید شده روی آلومینیوم.

 

لایه‌های متخلخل آلومینایی با پارامترهای منحصربه‌فردی شناسایی می‌شوند که از مهم‌ترین آن‎ها می‌توان به قطر حفرات (Pore diameter)، ضخامت دیواره سلولی (Wall thickness)، ضخامت لایه سدی (barrier layer thickness) و فاصله بین حفرات (Interpore distance) اشاره کرد. هر کدام از این پارامتر‌ها با تغییر pH الکترولیت و پارامترهای فرآیندی مانند مدت زمان فرآیند و شدت جریان آن تغییر می‌کند. شکل 9 شمایی از لایه متخلخل آلومینایی را به همراه پارامترهای یاد شده نشان می‌دهد.

 

 
شکل 9- شمایی از لایه متخلخل آلومینایی و پارامترهای مربوط به آن.

 

با کنترل شرایط الکترولیت و پارامترهای فرآیند، امکان کنترل قطر حفرات وجود دارد، به‌طوری‌که می‌توان قطر حفرات را از چند نانومتر تا چند صد نانومتر تغییر داد. همچنین با کنترل پارامترهای فرآیندی، امکان ساخت سلول­‌هایی با عمق 100 میکرومتر نیز وجود دارد، که در این شرایط، نسبت ابعادی (aspect ratio) این حفرات بسیار بزرگ خواهد بود. در واقع، این حفرات در دو بعد (راستای شعاعی حفرات) دارای ابعاد نانومتری و در یک بعد (در راستای طولی یا ارتفاع استوانه) داری ابعاد میکرومتری هستند.

 

6- تأثیر پارامترهای فرآیندی

1-6- دمای الکترولیت

اصولاً فرایند آندایزینگ در دماهای پایین (بین10+ تا 10-) انجام می‌شود. در حالت کلی، با افزایش دما ضخامت لایه آندی کاهش می‌یابد و دلیل آن، حل شدن لایه بیرونی است که منجر به افزایش قطر حفره‌ها و کاهش سختی پوشش آلومینایی می‌شود. ایجاد ضخامت‌های بیشتر برای لایه اکسیدی و افزایش سختی و مقاومت به سایش لایه آندی، بیشتر از اینکه از دمای سطح آند تأثیر بپذیرد، از دمای الکترولیت متأثر می‌شود. در واقع، دمای سطح آند می‌تواند به‌دلیل «اثر ژول» در سطح آند (یعنی مقاومت اسید در سطح لایه آندی) یا انجام واکنش اکسیداسیون افزایش یابد. میزان تحت تبرید لازم برای رشد لایه آندی از رابطه زیر به دست می‌آید:

(2)                                  

که در آن، h ضخامت لایه آندی، l ضخامت آلومینیوم، γ پارامتر طبیعی پوشش ( ) و  و  به‌ترتیب مقدار تبرید منبع سرد و اختلاف دمای الکترولیت و آند است. همانطور که مشاهده می‌شود، دمای سطح آند به‌منظور افزایش سختی پوشش آلومینایی، پارامتر مهم‌تری نسبت به دمای محلول است.

نتایج متعددی نشان می‌دهد که افزایش دمای الکترولیت می‌تواند منجر به کاهش میزان سختی لایه آندی شود. دلیل این امر، افزایش قطر حفره‌ها در اثر افزایش دمای الکترولیت است. شکل 10 اثر دمای الکترولیت بر روی کسر حجمی حفره‌ها و سختی لایه آندی را نشان می‌دهد.

 

شکل 10- تأثیر دمای الکترولیت بر روی میزان (الف) سختی و (ب) تخلخل لایه آندی.

 

2-6- حضور عناصر آلیاژی در محلول الکترولیت

عناصر آلیاژی به سه صورت زیر می‌توانند فرایند آندایزینگ را تحت تأثیر قرار دهند: (الف) باعث تغییر در مکانیزم‎های انتقال یونی درون لایه اکسیدی می‌شود؛ (ب) باعث خروج گونه‌های یونی به درون الکترولیت می‌شود؛ و (ج) باعث تغییر حلالیت عناصر لایه در حضور و غیاب میدان الکتریکی می‌شود. از این‌رو، یک عنصر آلیاژی بسته به نوع اثرگذاری خود بر روی مکانیزم‎های فعال در فرآیند آندایزینگ ممکن است باعث تسریع یا کند کردن فرآیند شود.

 

3-6- مدت زمان آندایزینگ

معمولاً با افزایش زمان آندایزینگ، ضخامت لایه اکسیدی تا جایی‌که لایه به ضخامت حدی خود برسد، افزایش می‌یابد. ضخامت حدی ضخامتی است که در آن سرعت رشد لایه با سرعت حل شدن آن در محلول برابر می‌شود و از آن به بعد، دیگر ضخامت افزایش نمی‌یابد.

 

4-6- شدت جریان و ولتاژ اعمالی

عمل آندایزینگ معمولی اغلب در چگالی جریان‌های 1/5-1 انجام می‌‌شود. معمولاً با افزایش چگالی جریان، سختی لایه اکسیدی به‌دست آمده افزایش می‌یابد.

 

نتیجه‌گیری

امروزه از قالب‌هایی با الگوی تکرارشونده، برای سنتز بسیاری از نانوساختارها استفاده می‌شود. روش‌­های مختلفی برای ساخت یک الگوی منظم و تکرارشونده از ساختارهای نانومتری وجود دارد. یکی از این روش‌­ها استفاده از قالب­‎های نانومتخلخلی است که با فرآیند الکتروشیمیایی به‌دست می‌آید. در این مقاله، به بررسی روش‌ ساخت قالب‌های نانومتخلخل با استفاده از فرآیندهای الکتروشیمیایی پرداخته شد. گفته شد که از لایه‌ها یا پوشش‌های متخلخل حاوی تعداد زیادی حفره، به‌عنوان الگو استفاده می‌شود. در این الگوها، هر یک از حفرات می‌توانند به‌عنوان مکانی مناسب برای جوانه‌زنی و رشد یک نانولوله یا نانوسیم عمل کنند. تأکید شد که فرآیند سنتز نانوساختارهایی نظیر نانوسیم‎­ها، نانولوله‎­ها و نانومیله‌ها با استفاده از الگوهای متخلخل، دارای دو مرحله اصلی است: (الف) ساخت قالب متخلخل (مشبک) و (ب) سنتز نانوساختار موردنظر از طریق قالب متخلخل. لایه متخلخل آلومینایی، یکی از رایج‌ترین پوشش‌های متخلخل در سنتز مواد نانوساختار است. آلومینای نانومتخلخل، محصول واکنش اکسایش آندی آلومینیوم بر روی آند است که به‌صورت یک لایه متخلخل، روی آلومینیوم تشکیل می‌شود. تأکید شد که دلیل استفاده از آلومینیوم،  ارزان‌تر بودن و اکسیداسیون آندی راحت‌تر آن نسبت به سایر فلزات مانند تیتانیوم و سیلیسیوم است. گفته شد که مقدار pH الکترولیت تأثیر چشمگیری بر تشکیل لایه متخلخل آلومینا روی آند دارد، به‌طوری‌که اگر از الکترولیتی با pH 5 تا 7 استفاده شود، لایه تشکیل شده روی آند به‌صورت پیوسته و بدون حفره خواهد بود،. با این حال، در صورت استفاده از الکترولیت‌های اسیدی، لایه تشکیل شده روی آند به‌صورت متخلخل خواهد بود. تأکید شد که مدت زمان فرآیند و میزان جریان تولیدی توسط منبع تغذیه، بر کیفیت پوشش نانومتخلخل ایجاد شده روی آند تأثیر قابل توجهی دارند. در نهایت، گفته شد که لایه‌های متخلخل آلومینایی با پارامترهای خاصی نظیر قطر حفره، ضخامت دیواره سلولی، ضخامت لایه سدی و فاصله بین حفرات شناسایی می شوند.

 

منابـــع و مراجــــع

[1] Sousa, C. T., D. C. Leitao, M. P. Proenca, J. Ventura, A. M. Pereira, and J. P. Araujo. "Nanoporous alumina as templates for multifunctional applications." Applied Physics Reviews 1, no. 3 (2014): 031102.

[2] Liao, Yulong, Wenxiu Que, Jin Zhang, Peng Zhong, and Yucheng He. "A facile method for rapid preparation of individual titania nanotube powders by a two-step process." Materials Research Bulletin 46, no. 3 (2011): 478-482.

[3] Kumeria, Tushar, Abel Santos, and Dusan Losic. "Nanoporous anodic alumina platforms: engineered surface chemistry and structure for optical sensing applications." Sensors 14, no. 7 (2014): 11878-11918.

[4] http://www.bikezilla.com.sg/posts/4616-TECH-UNDERSTANDING-ANODIZING.html

[5] Li, Feiyue, Lan Zhang, and Robert M. Metzger. "On the growth of highly ordered pores in anodized aluminum oxide." Chemistry of materials 10, no. 9 (1998): 2470-2480.

[6] Thompson, G. E. "Porous anodic alumina: fabrication, characterization and applications." Thin solid films 297, no. 1 (1997): 192-201.

[7] Wei Xiao-wei, Chen Chao-yin , “Influence of oxidation heat on hard anodic film of aluminum alloy” , Trans. Nonferrous Met. Soc, China,Vol. 22, PP. 2707−2712, 2012 .

[8] T. Aerts, Th. Dimogerontakis, I. De Graeve, J. Fransaer, H. Terryn ,”Influence of the anodizing temperature on the porosity and the mechanical properties of the porous anodic oxide film “,Surface & Coatings Technology, vol. 201, PP. 7310–7317, 2007.

[9] MA. Song-Jiang, L. Peng, Z. Hai-Hui, F. Chao-Peng,K. Ya-Fei, “Preparation of anodic films on 2024 aluminum alloy in boric acid-containing mixed electrolyte”, Trans. Nonferrous Met. Soc, China,Vol. 18, pp. 825-830, 2008.

[10] I. T. Kaplanoglou, S. Theohari, Th. Dimogerontakis, Yar-Ming Wang, Hong-Hsiang (Harry) Kuo, Sheila Kia, “Effect of alloy types on the anodizing process of aluminum”, Surface & Coatings Technology, vol. 200, pp. 2634 – 2641, 2006.