يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
تم استخدام التقنيات الاصطناعية بمساعدة الميكروويف لإنتاج Sols من جسيمات السيليكا النانوية بسرعة وبشكل متكرر باستخدام محفز حمضي بأقطار جسيمات نانوية تتراوح من 30-250 نانومتر عن طريق تغيير ظروف التفاعل. من خلال اختيار مذيب متوافق مع الميكروويف ، وسلائف حمض السيليك ، ومحفز ، ووقت تشعيع الميكروويف ، كانت هذه الطرق بمساعدة الميكروويف قادرة على التغلب على أوجه القصور التي تم الإبلاغ عنها سابقا المرتبطة بتخليق جزيئات السيليكا النانوية باستخدام مفاعلات الميكروويف. تم تحلل سلائف السيلوكسان باستخدام المحفز الحمضي ، HCl. الأسيتون ، مذيب δ منخفض السمرة ، يتوسط تفاعلات التكثيف وله تفاعل ضئيل مع المجال الكهرومغناطيسي. تبدأ تفاعلات التكثيف عندما تتزاوج سلائف حمض السيليك مع إشعاع الميكروويف ، مما يؤدي إلى تكوين سول جسيمات السيليكا النانوية. تميزت جسيمات السيليكا النانوية ببيانات تشتت الضوء الديناميكي والفحص المجهري الإلكتروني الماسح ، مما يدل على أن مورفولوجيا المواد وحجمها يعتمدان على ظروف التفاعل. تنتج التفاعلات بمساعدة الميكروويف جزيئات السيليكا النانوية ذات الأسطح الخشنة غير النمطية لمصابيح السيليكا التي تنتجها طرق Stöber ، والتي لها أسطح ناعمة.
التفاعلات الكيميائية بمساعدة الميكروويف هي تقنية ناشئة داخل المجتمع العلمي وفي الأدبيات بسبب الفوائد المرتبطة بالتقنيات9-18. على وجه التحديد ، ثبت أن التقنيات بمساعدة الميكروويف مفيدة في تخليق المواد النانوية حيث يكون الترويج لأحداث التنوي التلقائي مطلوبا. تعتبر ظروف الميكروويف مفيدة لأن مفاعلات الميكروويف توفر طاقة محكومة بسرعة للتفاعل10. حتى وقت قريب19 ، تم استخدام تخليق SiO2 NPs باستخدام مفاعلات الميكروويف بنجاح محدود بشكل أساسي نتيجة لمشكلات التكاثر20-22.
غالبا ما تميل التفاصيل والأساليب الإجرائية التي يتم الإبلاغ عنها في الأدبيات المتعلقة بتخليق المواد النانوية إلى أن تكون غامضة وينظر إليها أحيانا على أنها "شكل فني". يمكن أن يؤدي الجمع بين التقنيات التركيبية بمساعدة الميكروويف وتوليف المواد النانوية إلى تفاقم الموضوع بشكل أكبر. الغرض من هذه المخطوطة هو توجيه الباحثين في تخليق المواد النانوية بتقنيات بمساعدة الميكروويف ، والقضاء على الغموض المرتبط بهذه التقنيات ، والإشارة إلى الأخطاء الشائعة المرتبطة بهذه التقنيات.
في التفاعل الكيميائي بالميكروويف ، فإن أي نوع جزيئي يحتوي على ثنائي القطب دائم قادر على التفاعل وإزعاج المجال الكهرومغناطيسي (EM). لا تقتصر هذه الأنواع على الكواشف والمذيبات المستخدمة في التفاعل فحسب ، بل يمكن أن تكون أي مادة موضوعة في مجال EM مثل القوارير الزجاجية والأملاح والسوائل الأيونية.
يتم تعريف قدرة مادة معينة على تحويل طاقة EM بشكل فعال إلى حرارة على أنها عامل فقدان مادة أو δ تان. تصنف المذيبات عادة حسب عامل الخسارة حيث تعتبر قيم تان δ > 0.5 عالية ، وتعتبر قيم تان 0.1 > δ> 0.5 متوسطة ، وتعتبر δ تان < 0.1 منخفضة. ترتبط قيم عوامل الخسارة هذه بقدرة مذيب معين على إقران أو امتصاص طاقة الميكروويف وتحويل تلك الطاقة إلى حرارة. يتم توليد الطاقة الحرارية من خلال الاحتكاك الجزيئي للأنواع التي تحاول التوافق مع مجال EM المتذبذب. إذا تم استخدام المذيبات ذات قيم δ تان العالية داخل تفاعل ، فإن المذيب سيهيمن على أحداث امتصاص الميكروويف ، مما يخفي السلائف أو الكواشف ، مما يؤدي إلى تسخين بالجملة نتيجة اقتران المذيب بقوة بمجال EM.
< p class = "jove_content" > عادة ، يتم استخدام المذيبات القطبية في تخليق SiO2 NP لضمان قابلية ذوبان الكاشف والتبرع بالبروتونات المتقابلة23. المذيبات الشائعة المستخدمة في توليفات SiO2 NP هي مذيبات الكحول مثل الإيثانول أو الميثانول أو 2-البروبانول. تحتوي جميع هذه المذيبات على قيم δ تان عالية (0.941 و 0.799 و 0.659 للإيثانول و 2-بروبانول والميثانول ، على التوالي) مما يجعلها خيارات مذيبات سيئة للتفاعلات الكيميائية بمساعدة الميكروويف ل SiO2 NPs لأنها تقترن بكفاءة مع مجال EM. نعتقد أن التفاعلات بمساعدة الميكروويف تكون أكثر فاعلية عند استخدام مذيبات δ منخفضة السمرة مع السلائف الجزيئية القطبية في التفاعلات الاصطناعية. تسمح هذه الظروف للسلائف الجزيئية بالاقتران مع مجال EM ، مما يوفر التسخين الجزيئي ، بينما يتفاعل المذيب بشكل ضئيل. بالنسبة للتفاعلات بمساعدة الميكروويف في هذه المخطوطة ، يتم استخدام الأسيتون كبديل لمذيبات الكحول شائعة الاستخدام المرتبطة بتخليق SiO2 NPs. يعتبر الأسيتون مذيبا منخفض عامل الخسارة (تان δ = 0.054) ، مما يحد من تفاعلات المذيبات داخل مجال EM مما يسمح بامتصاص الميكروويف الانتقائي مع المواد المتفاعلة التي تتأمل تفاعلات تكثيف السيليكا.في هذه المخطوطة ، نحدد الإجراءات المرتبطة بالتوليف بمساعدة الميكروويف ل SiO2 NPs التي تتسم بالدقة والدقيقة والسرعة. يتم تحقيق نمو SiO2 NP من خلال الاقتران الفعال للسلائف بحقل EM بينما يكون للمذيب دور ضئيل في التسخين. يتم تحقيق التحلل المائي لسلائف السيلوكسان باستخدام حمض الهيدروكلوريك ، مما يؤدي إلى معدلات أبطأ من التحلل المائي ويحد من تفاعلات التكثيف الإضافية. تتمتع التفاعلات المحفزة بالقلوية بمعدلات تفاعل أسرع بكثير ويمكن أن تعقد عمليات النمو عند استخدامها بتقنيات بمساعدة الميكروويف. تتراوح أقطار SiO2 NPs الناتجة التي تم تصنيعها بواسطة هذه التقنيات من 30 نانومتر إلى أقطار أكبر من 250 نانومتر. يتم التحكم في حجم SiO2 NP عن طريق تغيير تركيز السلائف ووقت التعرض لإشعاع الميكروويف.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
2. التحلل المائي ل TMOS وتحضير محلول التفاعل
ملاحظة: قبل تسخين الميكروويف ، سيكون محلول حمض السيليك / الأسيتون مستقرا لعدة ساعات. لم يلاحظ تكثيف السيليكا في المحاليل المحضرة المماثلة التي كانت مستقرة لعدة أسابيع دون أي دليل على التكثيف. على الرغم من الحصول على أفضل النتائج ، يجب استخدام محاليل التفاعل في يوم التحضير لضمان نتائج قابلة للتكرار.
< p class = "jove_title" >3. إنشاء طريقة الميكروويف على مفاعل الميكروويف4. التوليف بمساعدة الميكروويف لجسيمات SiO2 النانوية
ملاحظة: عادة بالنسبة لتفاعل 5 مل ، تم الإبلاغ عن تحويل مقاس ~ 40-50٪19 في تحضير SiO2 NPs بواسطة هذه الطرق بمساعدة الميكروويف.
فئة5. تحليل حجم DLS لحلول التفاعل
7. إعداد عينة SEM
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تظهر تتبعّات درجة الحرارة والضغط وقدرة الميكروويف لتفاعل نموذجي لجسيمات SiO2 NP بمساعدة الميكروويف في الشكل 1. ينقسم مخطط تفاعل الميكروويف إلى ثلاثة أقسام: مرحلة التصعيد، والتفاعل، والتبريد. تم استخدام درجة حرارة تفاعل تبلغ 125 °C وزمن تفاعل قدره 60 sec في هذا التفاعل النموذجي لجسيمات SiO2 NP. خلال مرحلة التصعيد، يتم رفع القدرة إلى أقصى حد عند 300 W (أو قريب من القدرة القصوى) بحيث يمكن الوصول إلى درجة حرارة التفاعل بسرعة دون تجاوز درجة حرارة التفاعل المستهدفة. يبدأ التفاعل في الضغط ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تعتبر الطرق بمساعدة الميكروويف الموضحة في هذه المخطوطة مفيدة على طرق التسخين التقليدية لأنه يمكن تصنيع SiO2 NPs بدقة ودقة وسرعة. يجب اتباع المعايير التالية للقضاء على أي مشكلات محتملة مرتبطة بتكوين SiO2 NPs بواسطة هذه التقنيات المرتبطة بالميكروويف: 1) استخدام محفز مثل 1 ملي حمض الهيدروكلوريك ، 2) يجب إكمال التحلل المائي ل TMOS قبل إضافة الأسيتون ، 3) استخدام مذيب غير بروتيكي مثل الأسيتون ، 4) استخدام قضبان التحريك لضمان تجانس المذيبات ، و 5) استخدام نظام رد فعل يمكن ضغطه. المناقشات التي تصف اختيار ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ليس لدينا ما نكشف عنه.
تم توفير التمويل من قبل وكالة الحد من التهديدات الدفاعية ، قسم العلوم والتكنولوجيا الفيزيائية ، المجال الفني للحماية والتخفيف من المخاطر. تم دعم هذا البحث جزئيا من خلال تعيين في برنامج المشاركة البحثية للدراسات العليا في مختبر أبحاث القوات الجوية الذي يديره معهد أوك ريدج للعلوم والتعليم (ORISE) من خلال اتفاقية مشتركة بين الوكالات بين وزارة الطاقة الأمريكية ومختبر أبحاث القوات الجوية ، مديرية المواد والتصنيع ، قسم تقنيات القاعدة الجوية (AFRL / RXQ).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| رباعي ميثيل أورثوسيليكات | سيجما ألدريتش | 218472 | |
| حمض الهيدروكلوريك ، 37٪ | سيجما ألدريتش | 435570 | |
| أسيتون | فيشر | A949SK | |
| حمض الكبريتيك | EMD Millipore | SX1244 | |
| بيروكسيد الهيدروجين ، 30٪ | EMD Millipore | HX0635 | |
| اكتشف مفاعل الميكروويف | CEM | ||
| 10 مل قارورة تفاعل البورسليكات | CEM | 908035 | |
| 10 مل غطاء المفاجئ | CEM | 909210 | |
| 3 مم شريط التحريك | فيشر Scientific | 14-513-65 | |
| رقائق السيليكون المصقولة | وسيط SP064483 | ||
| S4800 SEM | هيتاشي | ||
| زيتاسيزر نانو90 | مالفيرن | ||
| كوفيت البوليسترين ، (10 مم × 10 مم × 45 مم) | Sarstedt | 67.754 | |
| 5415D جهاز طرد مركزي | Eppendorf | ||
| Hummer 6.2 نظام الرش | Anatech |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.