| تاریخ ارسال: 1402/6/5 |
معرفی روشی نوین برای تولید سیم، میله و لوله‌های نانو بور با کمک لیزر در دماهای بالا
.jpg)
تصاویر رسم‌شده از انواع نانومواد بور صفر، یک و دو بعدی، مانند: نانوکلاستر‌ها، نانوسیم‌ها، نانولوله‌ها، نانوتسمه‌ها، نانوروبان‌ها و نانوصفحات. (مرجع: کندو، علم و تکنولوژی مواد پیشرفته)
در دنیای نانومواد دوبعدی، نانوساختارهای کربنی منحصر به فرد هستند زیرا بسیاری از نانوسیستم‌های پیشرفته‌ی دیگر، ترکیبات چند عنصری هستند (مانند نیترید بور شش‌ضلعی و مکسین‌ها). کربن به طور طبیعی و به هنگام اتصال به خود در ساختارهای صاف و لایه‌ای شکل می‌گیرد. این موضوع امکان توسعه‌ی آسان ورقه‌های آزاد و بادوام کربنی را فراهم می‌کند. در مقابل، سایر سیستم‌های تک عنصری، مانند سیلیسین (سیلیکون دوبعدی) و فسفرن (فسفر دوبعدی)، ترجیح می‌دهند به شکل کمانش یا موجدار باند شوند، که برای توسعه‌ی ورق‌های پایدار مناسب نیست.
با وجود ضعف در پایداری مکانیکی، این دسته از نانومواد با خواص ویژه‌ای که دارند، توجهات بسیاری را به خود جلب کرده‌اند. به عنوان مثال، بور دارای ویژگی طبیعی و منحصر به فرد کمبود الکترون است که به آن اجازه می‌دهد تا پیکربندی‌های ساختاری پیچیده‌ای داشته باشد. به این ترتیب، بور تحرک ساختاری بسیار بیشتری نسبت به کربن ارائه می‌کند، که محققان انتظار دارند سازگاری آن با دستگاه‌ها و کاربردهای مختلف را ساده‌تر کند. (در حالی که تصور ساختارهای مسطح‌تر با بور امکان‌پذیر است، اغلب منجر به پیوندهای آویزان می‌شود که بور دوبعدی را مستعد اکسیدشدن سریع در هوا می‌کند. از سوی دیگر، محققان نشان داده‌اند که تشکیل شبکه‌های متشکل از پیکربندی‌های ساختاری متعدد می‌تواند به نانومواد بسیار پایدار منجر شود.)
مانند نانومواد کربنی، نانومواد بور معمولاً از طریق روش‌هایی مانند رسوب شیمیایی بخار (CVD)، سنتز تخلیه قوس الکتریکی (Arc-discharge synthesis) و آسیاب بال‌میل (Ball milling) تشکیل می‌شوند. با این حال، در دهه‌ی گذشته، اکتشافات محاسباتی و شبیه‌سازی شده نانومواد بور بر مطالعات تجربی غالب شده است، به این معنی که چنین موادی هنوز تا معرفی تجاری فاصله‌ی زیادی دارند.
در مقاله‌ای که با دسترسی آزاد اخیرا منتشر شد، گروهی بین‌المللی از محققان به رهبری دانشگاه کوازولو-ناتال در آفریقای جنوبی نشان دادند که روشی را که قبلاً برای سنتز نانومیله‌های دی سولفید مولیبدن به کار می‌بردند "کندوسوز لیزر دو پالسی" (double-pulse laser ablation) می‌تواند برای سنتز نانومواد بور نیز استفاده شود.
کندوسوز لیزری نوعی رسوب فیزیکی بخار (PVD) است. در این روش از پرتو لیزر برای تبخیر سطح یک ماده جامد استفاده می‌شود. اتم‌ها و کلاستر‌های حاصل، که توسط فوتون‌ها در پالس لیزر انرژی می‌گیرند، یک ستون پلاسما را تشکیل می‌دهند که به سمت بیرون منبسط می‌شود و نانوذرات را روی یک بستر رسوب می‌دهد.
کنترل توزیع اندازه‌‌دانه، تراکم و ساختار کریستالی در فرآیند فرسایش لیزری معمولی دشوار است. خوشبختانه، تکنیک‌های لیزری پیشرفته مانند کندوسوز لیزر دو پالسی، می‌تواند کنترل مورفولوژی را بهبود بخشد.
با وجود ضعف در پایداری مکانیکی، این دسته از نانومواد با خواص ویژه‌ای که دارند، توجهات بسیاری را به خود جلب کرده‌اند. به عنوان مثال، بور دارای ویژگی طبیعی و منحصر به فرد کمبود الکترون است که به آن اجازه می‌دهد تا پیکربندی‌های ساختاری پیچیده‌ای داشته باشد. به این ترتیب، بور تحرک ساختاری بسیار بیشتری نسبت به کربن ارائه می‌کند، که محققان انتظار دارند سازگاری آن با دستگاه‌ها و کاربردهای مختلف را ساده‌تر کند. (در حالی که تصور ساختارهای مسطح‌تر با بور امکان‌پذیر است، اغلب منجر به پیوندهای آویزان می‌شود که بور دوبعدی را مستعد اکسیدشدن سریع در هوا می‌کند. از سوی دیگر، محققان نشان داده‌اند که تشکیل شبکه‌های متشکل از پیکربندی‌های ساختاری متعدد می‌تواند به نانومواد بسیار پایدار منجر شود.)
مانند نانومواد کربنی، نانومواد بور معمولاً از طریق روش‌هایی مانند رسوب شیمیایی بخار (CVD)، سنتز تخلیه قوس الکتریکی (Arc-discharge synthesis) و آسیاب بال‌میل (Ball milling) تشکیل می‌شوند. با این حال، در دهه‌ی گذشته، اکتشافات محاسباتی و شبیه‌سازی شده نانومواد بور بر مطالعات تجربی غالب شده است، به این معنی که چنین موادی هنوز تا معرفی تجاری فاصله‌ی زیادی دارند.
در مقاله‌ای که با دسترسی آزاد اخیرا منتشر شد، گروهی بین‌المللی از محققان به رهبری دانشگاه کوازولو-ناتال در آفریقای جنوبی نشان دادند که روشی را که قبلاً برای سنتز نانومیله‌های دی سولفید مولیبدن به کار می‌بردند "کندوسوز لیزر دو پالسی" (double-pulse laser ablation) می‌تواند برای سنتز نانومواد بور نیز استفاده شود.
کندوسوز لیزری نوعی رسوب فیزیکی بخار (PVD) است. در این روش از پرتو لیزر برای تبخیر سطح یک ماده جامد استفاده می‌شود. اتم‌ها و کلاستر‌های حاصل، که توسط فوتون‌ها در پالس لیزر انرژی می‌گیرند، یک ستون پلاسما را تشکیل می‌دهند که به سمت بیرون منبسط می‌شود و نانوذرات را روی یک بستر رسوب می‌دهد.
کنترل توزیع اندازه‌‌دانه، تراکم و ساختار کریستالی در فرآیند فرسایش لیزری معمولی دشوار است. خوشبختانه، تکنیک‌های لیزری پیشرفته مانند کندوسوز لیزر دو پالسی، می‌تواند کنترل مورفولوژی را بهبود بخشد.
.jpg)
شماتیک تشکیل نانوذرات از طریق روش سنتز " کندوسوز لیزری"
(مرجع: Kim et al., KONA Powder and Particle Journal (CC BY ۴.۰)
در این مطالعه‌ی جدید، محققان از پالس های لیزری با طول موج های ۱۰۶۴ و ۵۳۲ نانومتر، با نرخ تکرار پالس ۱۰ هرتز و از گاز آرگون برای کندکردن انبساط ستون قطع شده با لیزر و کمک به حمل نانومواد تشکیل‌شده به پشت لوله‌ی کوارتز که آزمایش در آن انجام شد، استفاده کردند.
مشاهده‌شد که شرایط ترمودینامیکی بر نوع نانوساختار بور تأثیرگذار است. آزمایش‌هایی در ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد، ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد و ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام شد و به ترتیب نانومیله‌های بور، نانوسیم‌های بور و نانولوله‌های بور مانند بامبو را تشکیل دادند.
تجزیه و تحلیل مورفولوژی میله، سیم، و لوله ساختارهایی با قطر جانبی بین ۱۰-۱۰۰ نانومتر و با طول های ۰.۲-۱.۵ میکرومتر را نشان داد. تمام این نانوساختار‌ها خواص الکتریکی و نوری بهتری را نسبت به بالک بور مرجع از خود نشان دادند.
نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که «تکنیک کندوسوز لیزری، هنگامی که با یک کوره‌ی لوله‌ای با دمای بالا ترکیب می‌شود، روشی منحصر به فرد برای تولید نانومواد جدید است».
مقاله مرجع:
physica status solidi (a) – applications and materials science, is “High temperature laser assisted synthesis of boron nanorods, nanowires and bamboo-like nanotubes” (DOI: ۱۰.۱۰۰۲/pssa.۲۰۲۲۰۰۴۶۴).
منبع:
ترجمه: مهندس فرزین فتوحی، دانشگاه صنعتی شریف