SiLika nanopartikülleri (SiO2 NP'ler) ilk olarak Stöber1 tarafından sentezlendi vemodifikasyonlar yoluyla 2-7, SiO2 NP'lerin sentezi için tercih edilen yöntem haline geldi. Tipik olarak, Stöber reaksiyonları, silika solların oluştuğu alkali koşullar tarafından katalize edilir. Asit katalizli reaksiyonlar, siloksan öncüsünün hidrolizinin daha yüksek zorluk derecesi nedeniyle alkali katalizli reaksiyonlardan daha az sıklıkla kullanılır. Alkali katalizli reaksiyonların aksine, asit katalizli reaksiyonlar tercihen silika jeller oluşturur.8
Mikrodalga destekli kimyasal reaksiyonlar,9-18 tekniklerinin ilişkili faydaları nedeniyle bilim camiasında ve literatürde ortaya çıkan bir tekniktir. Spesifik olarak, mikrodalga destekli tekniklerin, spontan çekirdeklenme olaylarının teşvik edilmesinin istendiği nanomalzemelerin sentezinde avantajlı olduğu gösterilmiştir. Mikrodalga koşulları avantajlıdır çünkü mikrodalga reaktörleri reaksiyon10'a hızlı bir şekilde kontrollü güç sağlar. Yakın zamana kadar19, mikrodalga reaktörleri kullanılarak SiO2 NP'lerin sentezi, esas olaraktekrarlanabilirlik 20-22 ile ilgili sorunların bir sonucu olarak sınırlı bir başarı ile kullanılmıştır.
Nanomalzemelerin sentezi ile ilgili literatürde sıklıkla bildirilen ayrıntılar ve prosedürel yöntemler genellikle belirsiz olma eğilimindedir ve bazen bir "sanat formu" olarak görülür. Mikrodalga destekli sentetik teknikleri ve nanomalzeme sentezini birleştirmek, konuyu daha da karmaşık hale getirebilir. Bu makalenin amacı, nanomalzemelerin mikrodalga destekli tekniklerle sentezlenmesinde araştırmacılara rehberlik etmek, bu tekniklerle ilişkili belirsizliği ortadan kaldırmak ve bu tekniklerle ilişkili yaygın hatalara dikkat çekmektir.
Bir mikrodalga kimyasal reaksiyonunda, kalıcı bir dipol içeren herhangi bir moleküler tür, elektromanyetik (EM) alanı etkileşime sokabilir ve bozabilir. Bu türler yalnızca reaksiyonda kullanılan reaktifler ve çözücülerle sınırlı değildir, ancak EM alanına yerleştirilen herhangi bir madde, yani cam şişeler, tuzlar, iyonik sıvılar olabilir.
Belirli bir maddenin EM enerjisini etkili bir şekilde ısıya dönüştürme yeteneği, bir malzemenin veya tan rengi δ kayıp faktörü olarak tanımlanır. Çözücüler genellikle kayıp faktörlerine göre sınıflandırılır, burada tan δ > 0.5 değerleri yüksek, 0.1 > tan δ > 0.5 orta olarak kabul edilir ve tan δ < 0.1 düşük olarak kabul edilir. Bu kayıp faktörleri değerleri, belirli bir çözücünün mikrodalga enerjisini birleştirme veya emme ve bu enerjiyi ısıya dönüştürme yeteneği ile ilgilidir. Termal enerji, salınımlı EM alanıyla uyum sağlamaya çalışan türlerin moleküler sürtünmesi yoluyla üretilir. Bir reaksiyonda yüksek tan δ değerlerine sahip çözücüler kullanılırsa, çözücü mikrodalga absorpsiyon olaylarına hakim olacak, öncüyü veya reaktifleri maskeleyecek ve çözücünün EM alanı ile güçlü bir şekilde bağlanmasının bir sonucu olarak toplu ısınmaya yol açacaktır.
Tipik olarak, polar çözücüler, reaktif çözünürlüğünü sağlamak ve kararsız protonların23 bağışlanması için SiO2 NP sentezinde kullanılır. SiO2 NP sentezlerinde kullanılan yaygın çözücüler, etanol, metanol veya 2-propanol gibi alkol çözücülerdir. Bu çözücülerin tümü yüksek bronzluk δ değerlerine sahiptir (etanol, 2-propanol ve metanol için sırasıyla 0.941, 0.799 ve 0.659), EM alanı ile verimli bir şekilde birleştikleri için SiO2 NP'lerin mikrodalga destekli kimyasal reaksiyonları için zayıf çözücü seçimleri yapar. Mikrodalga destekli reaksiyonların, sentetik reaksiyonlarda polar moleküler öncülerle kombinasyon halinde düşük tan δ çözücüler kullanıldığında en etkili olduğuna inanıyoruz. Bu koşullar, moleküler öncülerin EM alanı ile birleşmesine izin vererek, çözücü minimum düzeyde etkileşime girerken, moleküler ısıtma sağlar. Bu el yazmasındaki mikrodalga destekli reaksiyonlar için aseton,SiO2 NPs sentezi ile ilişkili yaygın olarak kullanılan alkol çözücülerine bir alternatif olarak kullanılır. Aseton, düşük kayıp faktörlü bir çözücü (tan δ = 0.054) olarak kabul edilir, bu da EM alanı içindeki çözücü etkileşimlerini sınırlar ve silika yoğunlaşma reaksiyonlarını meditasyon yapan reaktanlar ile seçici mikrodalga absorpsiyonuna izin verir.
Bu el yazmasında, doğru, kesin ve hızlı olan SiO2 NP'lerin mikrodalga destekli sentezi ile ilgili prosedürleri özetliyoruz. SiO2 NP büyümesi, çözücünün ısıtmada minimum rolü varken, öncüsün EM alanı ile etkili bir şekilde bağlanmasıyla elde edilir. Siloksan öncüsünün hidrolizi, daha yavaş hidroliz oranlarına yol açan ve daha fazla yoğuşma reaksiyonunu sınırlayan hidroklorik asit kullanılarak gerçekleştirilir. Alkali katalizli reaksiyonlar çok daha hızlı reaksiyon hızlarına sahiptir ve mikrodalga destekli tekniklerle kullanıldığında büyüme süreçlerini karmaşıklaştırabilir. Bu tekniklerle sentezlenen ortaya çıkan SiO2 NP'lerin çapları 30 nm'den 250 nm'den büyük çaplara kadar değişir. SiO2 NP boyutu, öncü konsantrasyon ve mikrodalga radyasyonuna maruz kalma süresi değiştirilerek kontrol edilir.