ננו-חלקיקי סיליקה (SiO2 NPs) סונתזו לראשונה על ידי Stöber1 ובאמצעות שינויים2-7 הפכו לשיטה המועדפת לסינתזה של SiO2 NPs. בדרך כלל, תגובות Stöber מזורזות על ידי תנאים אלקליין שבהם נוצרים סולי סיליקה. תגובות מזורזות חומצה משמשות בתדירות נמוכה יותר מתגובות מזורזות אלקליין בשל דרגת הקושי הגדולה יותר של הידרוליזה של מבשר הסילוקסן. בניגוד לתגובות מזורזות אלקליין, תגובות מזורזות חומצה יוצרות עדיפות ג'ל סיליקה.8
תגובות כימיות בסיוע מיקרוגל הן טכניקה מתפתחת בקהילה המדעית ובספרות בשל היתרונות הנלווים לטכניקות9-18. באופן ספציפי, טכניקות בסיוע מיקרוגל הוכחו כמועילות בסינתזה של ננו-חומרים כאשר רצוי לקדם אירועי גרעין ספונטניים. תנאי מיקרוגל הם יתרון מכיוון שכורי מיקרוגל מספקים כוח מבוקר במהירות לתגובה10. עד לאחרונה19, הסינתזה של SiO2 NPs באמצעות כורי מיקרוגל שימשה בהצלחה מוגבלת בעיקר כתוצאה מבעיות עם שחזור20-22.
הפרטים והשיטות הפרוצדורליות המדווחות לעתים קרובות בספרות על סינתזה של ננו-חומרים נוטים לעתים קרובות להיות מעורפלים ולפעמים נתפסים כ"צורת אמנות". שילוב של טכניקות סינתטיות בסיוע מיקרוגל וסינתזה של ננו-חומרים יכול לסבך את הנושא עוד יותר. מטרת כתב היד הזה היא להדריך חוקרים בסינתזה של ננו-חומרים בטכניקות בסיוע מיקרוגל, לבטל את הערפול הקשור לטכניקות אלה ולהצביע על טעויות נפוצות הקשורות לטכניקות אלה.
בתגובה כימית במיקרוגל, כל מין מולקולרי המכיל דיפול קבוע מסוגל לקיים אינטראקציה ולהפריע לשדה האלקטרומגנטי (EM). מינים אלה אינם מוגבלים רק לריאגנטים ולממיסים המשמשים בתגובה, אלא יכולים להיות כל חומר הממוקם בשדה EM, כלומר בקבוקוני זכוכית, מלחים, נוזלים יוניים.
היכולת של חומר ספציפי להמיר ביעילות אנרגיית EM לחום מוגדרת כגורם האובדן של חומר או δ שיזוף. ממיסים מסווגים בדרך כלל לפי גורם האובדן שלהם, כאשר ערכי δ שיזוף > 0.5 נחשבים גבוהים, 0.1 > δ > 0.5 נחשבים בינוניים, ושזוף δ < 0.1 נחשבים נמוכים. ערכי גורמי אובדן אלה מתייחסים ליכולתו של ממס מסוים לזווג או לספוג אנרגיית מיקרוגל ולהמיר את האנרגיה הזו לחום. אנרגיה תרמית נוצרת באמצעות חיכוך מולקולרי של מינים המנסים ליישר קו עם שדה ה- EM המתנודד. אם משתמשים בממיסים בעלי ערכי δ שיזוף גבוהים בתוך תגובה, הממס ישלוט באירועי ספיגת המיקרוגל, יסווה את המבשר או הריאגנטים, מה שיוביל לחימום בתפזורת כתוצאה מהחיבור החזק של הממס לשדה ה- EM.
בדרך כלל, ממיסים קוטביים משמשים בסינתזה של SiO2 NP כדי להבטיח מסיסות ריאגנטים ולתרומה של פרוטונים לאביליים23. ממיסים נפוצים המשמשים בסינתזה SiO2 NP הם ממיסי אלכוהול כגון אתנול, מתנול או 2-פרופנול. לכל הממיסים הללו יש ערכי δ שיזוף גבוהים (0.941, 0.799 ו-0.659 עבור אתנול, 2-פרופנול ומתנול, בהתאמה) מה שהופך אותם לבחירות ממס גרועות לתגובות כימיות בסיוע מיקרוגל של SiO2 NPs מכיוון שהם משתלבים ביעילות עם שדה ה-EM. אנו מאמינים שתגובות בסיוע מיקרוגל הן היעילות ביותר כאשר משתמשים בממיסים δ שיזוף נמוכים בשילוב עם קודמנים מולקולריים קוטביים בתגובות סינתטיות. נסיבות אלה מאפשרות לקודמנים המולקולריים להתחבר לשדה ה- EM, ולספק חימום מולקולרי, בעוד שהממס מקיים אינטראקציה מינימלית. עבור תגובות בסיוע מיקרוגל בכתב יד זה, אצטון משמש כחלופה לממיסי האלכוהול הנפוצים הקשורים לסינתזה של SiO2 NPs. אצטון נחשב לממס בעל גורם אובדן נמוך (tan δ = 0.054), המגביל את אינטראקציות הממס בתוך שדה ה- EM ומאפשר ספיגת מיקרוגל סלקטיבית כאשר המגיבים מודטים תגובות עיבוי סיליקה.
בכתב יד זה, אנו מתארים את ההליכים הקשורים לסינתזה בעזרת מיקרוגל של SiO2 NPs שהם מדויקים, מדויקים ומהירים. גידול SiO2 NP מושג על ידי צימוד יעיל של הפרקורסור עם שדה ה- EM בעוד שלממס יש תפקיד מינימלי בחימום. הידרוליזה של מבשר הסילוקסן מושגת על ידי שימוש בחומצה הידרוכלורית, מה שמוביל לשיעורים איטיים יותר של הידרוליזה ומגביל תגובות עיבוי נוספות. לתגובות מזורזות אלקליין יש קצב תגובה מהיר בהרבה ויכולות לסבך תהליכי גדילה כאשר משתמשים בהן בטכניקות בעזרת מיקרוגל. ה-SiO2 NPs המתקבלים המסונתזים על ידי טכניקות אלה נעים בקטרים מ-30 ננומטר עד לקטרים גדולים מ-250 ננומטר. גודל SiO2 NP נשלט על ידי שינוי ריכוז המבשר וזמן החשיפה לקרינת המיקרוגל.