بررسی خواص نوری، مورفولوژی و اندازه نانو ذرات نقره تهیه شده با لیزر Nd:YAG نانوثانیه در مایع
محورهای موضوعی : روش ها و فرآیندهای نوین در تولید
احسان نادری سامانی
1
,
سید رضا شجاع رضوی
2
,
مهدی غلام پور
3
,
مهدی پولادزاده
4
,
حامد نادری سامانی
5
1 - تهران، بزرگراه شهید بابایی، لویزان، خیابان شعبانلو - دانشگاه مالک اشتر
2 - مجتمع مواد و فناوری های ساخت. دانشگاه صنعتی مالک اشتر تهران ایران
3 - گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه افسری امام علی (ع)
4 - دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت
5 - دانشجوی دکتری، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت
کلید واژه: سنتز نانو ذرات نقره, فرایند فرسایش لیزری, محلول کلوئیدی,
چکیده مقاله :
در این مطالعه اثر طول‌موج، دمای محلول و محیط سنتز روی ماهیت نانو ذرات نقره تهیه شده به روش فرسایش لیزری در مایع (LAL) با استفاده از لیزر Nd:YAG نانوثانیه مورد بررسی قرار گرفت. نانو ذرات نقره با استفاده از روش LAL در طولموجهای nm 532 و nm 1064، در دمای محیط و حمام یخ در آب مقطر سنتز شدند که بهترین نتایج مربوط به طول‌موج nm 1064 و دمای محیط بود. پس از یافتن طول‌موج و دمای بهینه (طول‌موج nm 1064 و دمای محیط)، سنتز نانو ذرات نقره در محیط‌های آب مقطر، استون، ستیل تری متیل آمونیوم کلرید (CTAC)، سدیم دودسیل سولفات (SDS) و پلی وینیل پیرولیدون (PVP) انجام گرفت. برای مشخصه یابی نانو ذرات سنتز شده از آنالیزهای طیفسنجی نوری مرئی – فرابنفش (UV-Vis)، طیفسنجی جذب اتمی (AAS)، پراش نور دینامیکی (DLS)، میکروسکپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM)، میکروسکپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکپ الکترونی عبوری با بزرگنمایی بالا (HR-TEM) و الگوی پراش پرتو ایکس (XRD) استفاده شد. نتایج نشان داد که اندازه و بازده نانو ذرات نقره سنتز شده تحت تأثیر طول‌موج لیزر، دمای محلول و محیط سنتز است. نانو ذرات سنتز شده در محیط‌های مختلف دارای اندازه ذرات نانومتری و مورفولوژی کروی می‌باشند. بالاترین میزان بازده تولید نانو ذرات در محلول SDS برابر با ppm 8/33 است. میانگین اندازه نانو ذرات و بلورک‌های نانو ذرات نقره سنتز شده در محیط استون با توجه به آنالیزهای HR-TEM و XRD به ترتیب برابر با nm 65 و nm 44 به دست آمد.
In this study, the effect of wavelength, liquid temperature and synthesis environment on the nature of silver nanoparticles prepared by laser ablation in liquid (LAL) using nanosecond Nd:YAG laser was investigated. Silver nanoparticles were synthesized using the LAL method at wavelengths of 532 nm and 1064 nm, at ambient temperature and ice bath in distilled water, and the best results were related to the wavelength of 1064 nm and ambient temperature. After finding the optimal wavelength and temperature (wavelength 1064 nm and ambient temperature), silver nanoparticles were synthesized in distilled water, acetone, cetyltrimethylammonium chloride (CTAC), sodium dodecyl sulfate (SDS), and polyvinylpyrrolidone (PVP). For the characterization of synthesized nanoparticles from ultraviolet visible spectroscopy (UV-Vis), atomic absorption spectroscopy (AAS), dynamic light Scattering (DLS), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), atomic Force Microscopy (AFM) ), high Resolution-Transmission Electron Microscopy (HR-TEM) and X-ray diffraction (XRD) were used. The results showed that the size and yield of synthesized silver nanoparticles are affected by laser wavelength, liquid temperature and synthesis environment. Nanoparticles synthesized in different environments have nanometer particle size and spherical morphology. The highest production efficiency of nanoparticles in SDS solution equals 33.8 ppm. According to HR-TEM and XRD analysis, the size of nanoparticles and crystallite of silver nanoparticles synthesized in an acetone environment were 65 nm and 44 nm, respectively.
[1] E. A. Ganash, "Synthesis of silver nanoparticles using pulsed laser ablation in liquid: a review", Laser Physics Letters, vol. 20, no. 1, p. 013001, 2022.
[2] A. M. Ondieki & et al., "Fabrication of surface-enhanced Raman spectroscopy substrates using silver nanoparticles produced by laser ablation in liquids", Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, p. 122694, 2023.
[3] E. Fazio & et al., "Nanoparticles engineering by pulsed laser ablation in liquids: Concepts and applications", Nanomaterials, vol. 10, no. 11, p. 2317, 2020.
[4] M. L. Soriano, C. Ruiz-Palomero & M. Valcárcel, "Ionic-liquid-based microextraction method for the determination of silver nanoparticles in consumer products", Analytical and bioanalytical chemistry, vol. 411, pp. 5023-5031, 2019.
[5] F. Mafune, J. Y. Kohno, Y. Takeda, T. Kondow & H. Sawabe, "Structure and stability of silver nanoparticles in aqueous solution produced by laser ablation", The Journal of Physical Chemistry B, vol. 104, no. 35, pp. 8333-8337, 2000.
[6] H. H. Rashed & M. Wahid, "Examination of Silver Nanoparticles Formation by Laser Ablation in Organic Liquids", International Journal of Nanoelectronics & Materials, vol. 12, no. 3, 2019.
[7] A. O. Kucherik & et al., "Cavitation‐Free Continuous‐Wave Laser Ablation from a Solid Target to Synthesize Low‐Size‐Dispersed Gold Nanoparticles", ChemPhysChem, vol. 18, no. 9, pp. 1185-1191, 2017.
[8] C. G. Moura & et al., "Effects of laser fluence and liquid media on preparation of small Ag nanoparticles by laser ablation in liquid", Optics & Laser Technology, vol. 97, pp. 20-28, 2017.
[9] R. Zakaria, M. Mahbub & C. Lim, "Studies of Surface Plasmon Resonance Effect on Different Metallic Layers of Silver (Ag) and Copper (Cu) with Molybdenum Trioxide (MoO3) for Formaldehyde Sensor", Results in Optics, p. 100374, 2023.
[10] C.-H. Tsai, S.-Y. Chen, J.-M. Song, I.-G. Chen, and H.-Y. Lee, "Thermal stability of Cu@ Ag core–shell nanoparticles", Corrosion Science, vol. 74, pp. 123-129, 2013.
[11] W. T. Osowiecki, X. Ye, P. Satish, K. C. Bustillo, E. L. Clark & A. P. Alivisatos, "Tailoring morphology of Cu–Ag nanocrescents and core–shell nanocrystals guided by a thermodynamic model", Journal of the American Chemical Society, vol. 140, no. 27, pp. 69-85, 2018.
[12] S. Tan, X. Zu, G. Yi & X. Liu, "Synthesis of highly environmental stable copper–silver core–shell nanoparticles for direct writing flexible electronics", Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 28, pp. 15899-15906, 2017.
[13] A. Hamad, L. Li, Z. Liu, X. L. Zhong & T. Wang, "Picosecond laser generation of Ag–TiO 2 nanoparticles with reduced energy gap by ablation in ice water and their antibacterial activities", Applied Physics A, vol. 119, pp. 1387-1396, 2015.
[14] A. H. Hamad, "Nanosecond laser generation of silver nanoparticles in ice water", Chemical Physics Letters, vol. 755, p. 137782, 2020.
[15] K. A. Elsayed, H. Imam, M. Ahmed & R. Ramadan, "Effect of focusing conditions and laser parameters on the fabrication of gold nanoparticles via laser ablation in liquid", Optics & Laser Technology, vol. 45, pp. 495-502, 2013.
[16] P. Chewchinda, T. Tsuge, H. Funakubo, O. Odawara & H. Wada, "Laser wavelength effect on size and morphology of silicon nanoparticles prepared by laser ablation in liquid", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 52, no. 2R, p. 025001, 2013.
[17]M. J. Haider & M. S. Mahdi, "Effect of laser wavelengths on the silver nanoparticles size prepared by PLAL", Engineering and Technology Journal, vol. 34, no. 7, pp. 1324-1334, 2016.
[18] L. Torrisi and A. Torrisi, "Laser ablation parameters influencing gold nanoparticle synthesis in water", Radiation Effects and Defects in solids, vol. 173, no. 9-10, pp. 729-739, 2018.
[19] T. Tsuji, K. Iryo, N. Watanabe & M. Tsuji, "Preparation of silver nanoparticles by laser ablation in solution: influence of laser wavelength on particle size", Applied surface science, vol. 202, no. 1-2, pp. 80-85, 2002.
[20] J. W. Strutt, "LVIII. On the scattering of light by small particles", The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, vol. 41, no. 275, pp. 447-454, 1871.
[21] A. Wazeer, A. Das, A. Sinha & A. Karmakar, "Nanomaterials synthesis via laser ablation in liquid: a review", Journal of The Institution of Engineers (India): Series D, vol. 104, no. 1, pp. 413-426, 2023.
[22] R. Tilaki, A. Iraji Zad & S. Mahdavi, "Stability, size and optical properties of silver nanoparticles prepared by laser ablation in different carrier media", Applied Physics A, vol. 84, pp. 215-219, 2006.
[23] R. Baiee, Z. Liu & L. Li, "Understanding the stability and durability of laser-generated Ag nanoparticles and effects on their antibacterial activities", Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, vol. 10, no. 3, p. 035001, 2019.
[24] S. Petrović & et al., "Agglomeration in core-shell structure of CuAg nanoparticles synthesized by the laser ablation of Cu target in aqueous solutions", Journal of Optics, vol. 17, no. 2, p. 025402, 2015.
[25] R. R. John, "CRC handbook of Chemistry and Physics", ed: CRC Press Boca Raton, FL, 2019.
[26] M. H. Mahdieh & B. Fattahi, "Size properties of colloidal nanoparticles produced by nanosecond pulsed laser ablation and studying the effects of liquid medium and laser fluence", Applied surface science, vol. 329, pp. 47-57, 2015.
[27] Y. Jianfeng, Z. Guisheng, H. Anming & Y. N. Zhou, "Preparation of PVP coated Cu NPs and the application for low-temperature bonding", Journal of Materials Chemistry, vol. 21, no. 40, pp. 15981-15986, 2011.
[28] A. Letzel, B. Gokce, A. Menzel, A. Plech & S. Barcikowski, "Primary particle diameter differentiation and bimodality identification by five analytical methods using gold nanoparticle size distributions synthesized by pulsed laser ablation in liquids", Applied Surface Science, vol. 435, pp. 743-751, 2018.
[29] R. G. Nikov, N. Nedyalkov & D. Karashanova, "Laser ablation of Ni in the presence of external magnetic field: Selection of microsized particles", Applied Surface Science, vol. 518, p. 146211, 2020.
[30] "Materials Talks, Polydispersity – what does it mean for DLS and chromatography?, malvern panalytical, https://www.materials-talks.com/polydispersity-what-does-it-mean-for-dls-and-chromatography/, plasmatour/img001.jpg, Last modified: 23 October 2017".
[31] N. F. V. Borrero, J. M. C. da Silva Filho, V. A. Ermakov & F. C. Marques, "Silver nanoparticles produced by laser ablation for a study on the effect of SERS with low laser power on N719 dye and Rhodamine-B", MRS Advances, vol. 4, no. 11-12, pp. 723-731, 2019.
[32] D. Oseguera-Galindo, A. Martinez-Benitez, A. Chavez-Chavez, G. Gomez-Rosas, A. Perez-Centeno & M. Santana-Aranda, "Effects of the confining solvent on the size distribution of silver NPs by laser ablation", Journal of Nanoparticle Research, vol. 14, pp. 1-6, 2012.
[33] P. H. Megat Abdul Hedei, S. K. Alsaee, A. F. Omar, U. Hashim & N. H. Mohd Kaus, "Spectral aging of gold and silver nanoparticles synthesized by laser ablation in liquids", Journal of Nanophotonics, vol. 13, no. 2, pp. 020502-020502, 2019.
[34] H. Naderi-Samani, R. S. Razavi, M. R. Loghman-Estarki & M. Ramazani, "The effects of organoclay on the morphology and mechanical properties of PAI/clay nanocomposites coatings prepared by the ultrasonication assisted process", Ultrasonics Sonochemistry, vol. 38, pp. 306-316, 2017.
فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هجدهم – شماره دوم – تابستان 1403 (شماره پیاپی 69)، صص. 47-61 | ||
| فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir |
|
بررسی خواص نوری، مورفولوژی و اندازه نانو ذرات نقره تهیه شده با لیزر Nd:YAG نانوثانیه در مایع
مقاله پژوهشی |
1- کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، تهران، ایران.
2- استاد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، تهران، ایران.
3- استادیار، دانشگاه افسری امام علی (ع)، گروه فیزیک دانشکده علوم پایه، تهران، ایران.
4- محقق، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، تهران، ایران.
5- محقق، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، تهران، ایران.
* h.naderi@mut.ac.ir
اطلاعات مقاله |
| چکیده |
دریافت: 01/03/1402 پذیرش: 22/08/1402 | در این مطالعه اثر طول‌موج، دمای محلول و محیط سنتز روی ماهیت نانو ذرات نقره تهیه شده به روش فرسایش لیزری در مایع (LAL) با استفاده از لیزر Nd:YAG نانوثانیه مورد بررسی قرار گرفت. نانو ذرات نقره با استفاده از روش LAL در طولموجهای nm532 و nm 1064، در دمای محیط و حمام یخ در آب مقطر سنتز شدند که بهترین نتایج مربوط به طول‌موج nm 1064 و دمای محیط بود. پس از یافتن طول‌موج و دمای بهینه (طول‌موج nm 1064 و دمای محیط)، سنتز نانو ذرات نقره در محیط‌های آب مقطر، استون، ستیل تری متیل آمونیوم کلرید (CTAC)، سدیم دودسیل سولفات (SDS) و پلی وینیل پیرولیدون (PVP) انجام گرفت. برای مشخصه یابی نانو ذرات سنتز شده از آنالیزهای طیفسنجی نوری مرئی – فرابنفش (UV-Vis)، طیفسنجی جذب اتمی (AAS)، پراش نور دینامیکی (DLS)، ميكروسكپ الكتروني روبشي گسیل میدانی (FE-SEM)، میکروسکپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکپ الکترونی عبوری با بزرگنمایی بالا (HR-TEM) و الگوی پراش پرتوایکس (XRD) استفاده شد. نتایج نشان داد که اندازه و بازده نانو ذرات نقره سنتز شده تحت تأثیر طول‌موج لیزر، دمای محلول و محیط سنتز است. نانو ذرات سنتز شده در محیط‌های مختلف دارای اندازه ذرات نانومتری و مورفولوژی کروی می‌باشند. بالاترین میزان بازده تولید نانو ذرات در محلول SDS برابر با ppm 8/33 است. میانگین اندازه نانو ذرات و بلورک‌های نانو ذرات نقره سنتز شده در محیط استون با توجه به آنالیزهای HR-TEM و XRD به ترتیب برابر با nm 65 و nm 44 به دست آمد. | |
کلید واژگان: سنتز نانو ذرات نقره فرایند فرسایش لیزری محلول کلوئیدی. |
|
Investigating Optical Properties, Morphology and Size of Silver Nanoparticles Prepared by Nanosecond Nd:YAG Laser in Liquid
Ehsan Naderi-Samani1*, Reza Shoja Razavi2, Mahdi Gholampour3, Mahdi PooladZadeh4, Hamed Naderi-Samani5
1, 2, 4, 5- Faculty of Materials and Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
3- Assistant Professor, Physics Group, Faculty of Basic Sciences, Imam Ali University, Tehran, Iran.
* h.naderi@mut.ac.ir
Abstract |
| Article Information |
In this study, the effect of wavelength, liquid temperature and synthesis environment on the nature of silver nanoparticles prepared by laser ablation in liquid (LAL) using nanosecond Nd:YAG laser was investigated. Silver nanoparticles were synthesized using the LAL method at wavelengths of 532 nm and 1064 nm, at ambient temperature and ice bath in distilled water, and the best results were related to the wavelength of 1064 nm and ambient temperature. After finding the optimal wavelength and temperature (wavelength 1064 nm and ambient temperature), silver nanoparticles were synthesized in distilled water, acetone, cetyltrimethylammonium chloride (CTAC), sodium dodecyl sulfate (SDS), and polyvinylpyrrolidone (PVP). For the characterization of synthesized nanoparticles from ultraviolet visible spectroscopy (UV-Vis), atomic absorption spectroscopy (AAS), dynamic light Scattering (DLS), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), atomic Force Microscopy (AFM), high Resolution-Transmission Electron Microscopy (HR-TEM) and X-ray diffraction (XRD) were used. The results showed that the size and yield of synthesized silver nanoparticles are affected by laser wavelength, liquid temperature and synthesis environment. Nanoparticles synthesized in different environments have nanometer particle size and spherical morphology. The highest production efficiency of nanoparticles in SDS solution equals 33.8 ppm. According to HR-TEM and XRD analysis, the size of nanoparticles and crystallite of silver nanoparticles synthesized in an acetone environment were 65 nm and 44 nm, respectively. | Original Research Paper Doi: | |
| Keywords: Synthesis of Silver Nanoparticles Laser Ablation Method Colloidal Solution. |
1- مقدمه
نانو ذرات فلزات نجیب به دلیل خواص منحصربه‌فردشان نسبت به مواد توده، موردتوجه تحقیقات قرارگرفته‌اند. این خواص به‌اندازه و مورفولوژی نانو ذرات بستگی دارد. نانو ذرات نقره به دلیل رسانایی الکتریکی و گرمایی بالا در مقایسه با سایر مواد بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. علاوه بر این نانو ذرات نقره دارای اثرات ضد میکروبی1، فعالیت کاتالیزوری بالا و خواص نوری مهم هستند. همچنین از نانو ذرات نقره به‌عنوان پرکننده و عامل رسانایی در جوهر رسانا2 استفاده میشود [1].
روش‌های مختلفی از قبیل روش‌های شیمیایی و فیزیکی برای تولید نانو ذرات استفاده میشود. هر روش دارای معایب و محدودیت‌هایی است. روش فرسایش لیزری در مایع3 (LAL) به‌عنوان جایگزینی مناسب برای روش شیمیایی است؛ زیرا از آلودگی و وجود ناخالصی در محصولات به‌دست‌آمده جلوگیری می‌کند. روش LAL یک روش فیزیکی از بالا به پایین برای تولید انواع مختلف نانو ذرات در محلول‌های مختلف بدون هیچ‌گونه مواد شیمیایی است. در روش LAL نانو ذرات با لیزر پالسی در مایع تولید می‌شوند. معمولاً برای تولید نانو ذرات به روش LAL از لیزرهایی با مدت زمان پالسهای کوتاه نظیر لیزرهای نانوثانیه، فمتوثانیه و پیکوثانیه استفاده میشود. با کنترل پارامترهای لیزر و نوع محلول می‌توان اندازه و مورفولوژی نانو ذرات را کنترل کرد [2].
به‌طور خلاصه در این روش، پرتو لیزر پالسی روی توده4 هدف متمرکزشده و سطح ماده را تحت کند و پاش و فرسایش قرار می‌دهد. در طی فرآیند LAL، انرژی فوتون لیزر توسط هدف فلزی جذب میشود و گرمایش و یونیزه شدن را در ناحیه تحت تابش ایجاد می‌کند و باعث رخداد فرایندهای ذوب، تبخیر و پلاسما میشود. این فعل‌وانفعالات باعث خارج شدن مواد از سطح هدف جامد به شکل بخارات و قطرات مایع از سطح توده ماده شده و در محیط مایع تشکیل نانو ذرات را می‌دهند [3]. در این پژوهش، تأثیر طول‌موج لیزر، دمای محلول و محیط سنتز روی خواص نوری، اندازه و مورفولوژی نانو ذرات نقره مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از این تحقیق نشان دادن اثرات پارامترهای لیزر و محیط سنتز روی جوانه‌زنی، مکانیسم‌های رشد و توزیع اندازه نانو ذرات نقره است.
2- مواد و روش تحقيق
2-1- مواد مورد استفاده
همه مواد شیمیایی با خلوص بالا تهیه شدند. توده نقره با خلوص 99/99 درصد از شرکت پارسیس گلد (ایران) تهیه شد. استون5 (AC)، سورفکتانت کاتیونی ستیل تری متیل آمونیوم کلرید6 (CTAC)، سورفکتانت آنیونی سدیم دودسیل سولفات7 (SDS) و سورفکتانت پلیمری پلی وینیل پیرولیدون8 (PVP) با وزن مولکولی متوسط 25000 از محصولات شرکت مرک آلمان استفاده شد. آب دیونیزه9 (DW) از شرکت قطران شیمی (ایران) تهیه گردید. محلول‌های آبی همه در آب یونیزه تهیه شدند.
2-2- سنتز نانو ذرات نقره
طرح‌واره سنتز نانو ذرات نقره توسط روش LAL در شکل (1) نشان داده شده است. برای سنتز نانو ذرات نقره از لیزر Nd:YAG پالسی نانوثانیه با مدت زمان پالس ns 10، انرژی mj/pulse 450، فرکانس Hz 3، طولموجهای nm 532 و 1064 و فاصله کانونی mm 65 استفاده شد. قطر پرتو لیزر در فاصله کانونی در محدوده mm 1 روی توده مس و نقره با ابعاد mm3 10 × 10 × 2 تنظیم شد. برای روبش سطح نمونه در جهت XY و تنظیم فاصله کاری هد تا سطح نمونه از یک میز CNC 3 محوره با سرعت روبش mm/s 6 استفاده شد. همچنین از یک همزن مغناطیسی با سرعت rpm 100 برای جلوگیری از تجمع و پخش یکنواخت نانو ذرات در محلول استفاده شد که مطابق شکل (1) کریستالیزور حاوی محلول و توده قطعه روی آن قرار گرفته بودند.
برای آماده‌سازی زیر لایه نقره سطح آن‌ها با کاغذ سنباده‌های با شماره P100، P150، P220، P320 و P400 پرداخت شد. سپس با استون شستشو داده شد و در حمام آلتراسونیک درون محلول استون به مدت 10 دقیقه به‌منظور حذف هرگونه آلودگی قرار گرفت. در ادامه توده نقره در ظرف کریستالیزور قرار گرفت و mL 25 محلول موردنظر به آن اضافه شد به‌گونه‌ای که ارتفاع محلول بالای سطح نمونه به mm 5 رسید. انجام فرایند LAL در سه نوع محلول سورفکتانت آبی SDS (mM 10)، CTAC (mM 10)، PVP (mM 10)، DW و AC در دمای محیط توسط 10،000 پالس لیزر انجام شد. لازم به ذکر است که با توجه به مکانیسم عمل مختلف هریک از این پایدارکنندهها برای سنتز نانو ذرات نقره به روش LAL انتخاب شدند.
پایدارکننده PVP، مکانیسم حفاظتی آن به‌عنوان نوعی سورفکتانت غیر یونی کاملاً از سورفکتانتهای یونی متمایز است. سورفکتانت PVP می‌تواند از طریق اتم‌های N یا O روی سطح نانو ذرات نقره جذب شود و برهمکنش قوی با آن‌ها داشته باشد؛ بنابراین یک لایه پوششی کامل روی سطح نانو ذرات ایجاد میشود که از رشد و تجمع نانو ذرات نقره جلوگیری می‌کند.
سورفکتانت CTAC در این تحقیق به‌جای استفاده از ستیل تری متیل آمونیوم بروماید (CTAB) انتخاب شد زیرا منجر به تولید رسوب هالید Ag در محلول آبی نمی‌شود. علاوه بر این، حضور کلر با ایجاد بار منفی روی نانو ذرات نقره منجر به ایجاد دافعه بین نانو ذرات میشود و از تجمع آن‌ها جلوگیری می‌کند؛ بنابراین در حضور سورفکتانت CTAC زنجیره بلند +CTA که در اثر یونیزاسیون CTAC به وجود آمده روی سطح نانو ذرات نقره جذب میشود و نانو ذرات را احاطه می‌کند و باعث کاهش قابل توجه اندازه نانو ذرات می‌گردد [4].
سورفکتانت آنیونی SDS تأثیر قابل‌توجهی بر بار سطحی نانو ذرات نقره دارد. سورفکتانت SDS حاوی بخش‌های آب‌گریز و آب‌دوست است. گروه آب‌گریز شامل یک زنجیره 12 کربنی با یک سر متصل به یک گروه سولفاتی آب‌دوست است. مکانیسم عمل SDS به‌خوبی توسط مافونه و همکاران10 ارائه شده است. آن‌ها پیشنهاد کردند که محلول SDS در غلظت 10 میلی مولار یک لایه دوگانه الکتریکی قوی در اطراف سطوح نانو ذرات ایجاد می‌کند. مکانیسم آن بدین‌صورت است که اولین لایه زمانی ایجاد میشود که گروه‌های آب‌دوست SO-4 به سمت سطح دارای بار مثبت نقره جذب می‌شوند و انتهای آب‌گریز آن به سمت خلاف نانو ذرات نقره در جهت محیط آبی قرار میگیرند. لایه دوم برعکس تشکیل میشود، بدین‌صورت که گروه‌های آب‌گریز به یکدیگر متصل می‌شوند و گروه‌های آب‌دوست SO-4 آن‌ها به سمت محیط آبی جهت میگیرند. بدین‌صورت لایه‌های دوگانه در اطراف نانو ذرات شکل می‌گیرد و مانع از اتصال نانو ذرات به یکدیگر میشود [5]. استون یک محلول مناسب برای پایداری نانو ذرات نقره می‌باشد. عملکرد استون بدین‌صورت است که یک برهمکنش قوی بین گروه کربونیل با سطح نانو ذرات نقره شکل می‌گیرد. هنگامی‌که در اطراف نانو ذرات نقره مولکول‌های استون جذب می‌شوند یک لایه دوقطبی سطحی محافظ با گروه‌های متیل در اطراف نانو ذرات تشکیل شود و باعث ایجاد دافعه بین نانو ذرات و جلوگیری از تجمع آن‌ها میشود [6].
جهت بررسی تأثیر دمای محلول روی سنتز نانو ذرات نقره، فرایند LAL توده نقره در محلول آب مقطر در دمای محیط و در حمام یخ11 (IB) در 5000 پالس لیزر در طول‌موج nm 532 مورد بررسی قرار گرفت. همچنین برای بررسی دقیق‌تر اثر طول‌موج (در طولموجهای nm 532 و nm 1064) روی سنتز نانو ذرات نقره فرایند LAL در آب مقطر در تعداد پالسهای 5000 و 10000 پالس به‌طور جداگانه انجام شد. باید توجه داشت که بقیه پارامترها مانند فاصله کانونی، انرژی، فرکانس، سرعت هم خوردن محلول و ... ثابت نگه داشته شدند.
شکل (1): طرح‌واره مجموعه تنظیم شده برای سنتز نانو ذرات نقره با استفاده از روش LAL.
2-3- روش‌های مشخصه یابی
به‌منظور تأیید حضور نانو ذرات و بررسی کیفی اندازه نانو ذرات در محلول کلوئیدی از طیفسنجی نوری
مرئی – فرابنفش12 (UV-Vis) در محدوده nm 800 – 350 مدل Nanodrop Ar 2015 ساخت شرکت طیف سنج پیشرو پژوهش ایران استفاده شد. برای بررسی مورفولوژی و اندازه نانو ذرات از ميكروسكپ الكتروني روبشي گسیل میدانی13 (FE-SEM) مدل TESCAN ساخت جمهوری چک با ولتاژ 20 کیلوولت استفاده شد. علاوه بر این برای بررسی مورفولوژی و اندازه نانو ذرات از میکروسکپ نیروی اتمی14 (AFM) مدل JPK NanoWizard II ساخت شرکت بروکر15 آلمان و میکروسکپ الکترونی عبوری با بزرگنمایی بالا16 (HR-TEM) مدل TEC9G20 ساخت شرکت الکترون میدانی و یون17 (FEI) آمریکا استفاده شد. بررسی توزیع و قطر متوسط هیدرودینامیکی نانو ذرات با استفاده از دستگاه پراش نور دینامیکی18 (DLS) مدل Nano ZS ساخت شرکت Malvern انگلیس انجام گرفت. برای به دست آوردن غلظت کلوئیدهای حاوی نانو ذرات از دستگاه طیفسنجی جذب اتمی19 (AAS) مدل AA240 ساخت شرکت Agilent آمریکا استفاده شد. همچنین جهت بررسی فازها از الگوی پراش اشعه ايکس20 (XRD) مدل AW-XDM300 ساخت شرکت آسنور21 چین استفاده گردید. از منبع تابش CuKα با طول‌موج
، ولتاژ kv 40 و جریان mA 30 استفاده شد.
3- نتایج و بحث
3-1- بررسی تأثیر دمای محلول روی سنتز نانو ذرات نقره
جهت بررسی اثر دمای محلول، فرایند LAL توده نقره در محلول آب مقطر (DW) در دمای محیط و در حمام یخ (IB) (قرارگیری کریستالیزور در ظرف پر از یخ) در طول‌موج nm 532 در 5000 پالس انجام گرفت.
در شکل (2) طیف جذبی نانو ذرات نقره سنتز شده در طول‌موج nm 532 در محلول آب مقطر در دمای محیط و حمام یخ را نشان می‌دهد. همان‌طور که در شکل (2) مشاهده میشود نانو ذرات نقره سنتز شده در دمای محیط دارای پیک جذبی بالاتری نسبت به حالت حمام یخ می‌باشد؛ بنابراین بازده تولیدی نانو ذرات در آب معمولی بیشتر است. مقدار پیک جذبی در آنالیز UV-Vis حاکی از راندمان تولید می‌باشد که نانو ذرات تولید شده در این طول‌موج دارای راندمان تقریباً برابری می‌باشند [7]. علت این امر می‌تواند به خاطر تأثیراتی باشد که روی توده قطعه و در محلول ایجاد شده است، باشد. به عبارتی دمای پائین محلول باعث کاهش رسانایی گرمایی و کاهش دمای توده قطعه میشود؛ بنابراین باعث میشود فرایندهای LAL (ذوب، تبخیر و تشکیل پلاسما) با کندی صورت پذیرد. همچنین افزایش دانسیته محلول در حالت حمام یخ نیز می‌تواند دلیلی بر کاهش تولید نانو ذرات باشد. در جدول (1) نتایج آنالیز AAS به‌منظور بررسی دقیق‌تر بازده تولیدی نانو ذرات در دمای محیط و در حمام یخ آورده شده است. غلظت نانو ذرات تولیدی در دمای محیط و حمام یخ به ترتیب برابر با ppm 5/0 ± 7 و ppm 5/0 ± 8/2 است. نتایج آنالیز AAS تأییدی بر نتایج آنالیز UV-Vis است.
مطابق شکل (2) پیک رزونانس پلاسمون سطحی22 (SPR) ظاهر شده در دمای محیط و حمام یخ به ترتیب برابر با
nm 408 و nm 404 است. پیک SPR در محدوده طول‌موج nm 480 – 380 مربوط به نانو ذرات نقره می‌باشد [8-9]؛ بنابراین پیک جذبی مشاهده شده در شکل (2) تأیید کننده حضور نانو ذرات نقره است. بر اساس تئوری مای23، اگر اندازه نانو ذرات افزایش یابد منجر به انتقال پیک SPR به سمت طولموجهای بزرگ‌تر میشود [10-12]؛ بنابراین طبق این تئوری با کم شدن طول‌موج پیک SPR به سمت طولموجهای آبی (UV) از دمای محیط به نزدیکی دمای صفر درجه سانتی‌گراد، حاکی از کاهش اندازه نانو ذرات است. متعاقباً، محیط حمام یخ نقش مهمی در کاهش دمای نانو ذرات اولیه پس از خارج شدن از توده پلاسما دارد و از تجمع نانو ذرات با یکدیگر در محیط آب یخ جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، سرعت سرد شدن پلوم پلاسما در محیط آب یخ در طی فرآیند فرسایش لیزری، باعث خاموش شدن پلوم پلاسما24 در مدت زمان کوتاهی میشود که می‌تواند عاملی برای تولید نانو ذرات کوچک‌تر در مقایسه با محیط آب در دمای اتاق است. همچنین به دلیل چگالی بیشتر آب یخ در مقایسه با آب در دمای اتاق، نانو ذرات اولیه محصور شده و حرکت آن‌ها محدود میشود. به همین علت به ذرات اولیه اجازه می‌دهد تا قبل از ترکیب شدن با نانو ذرات دیگر از پلوم پلاسما یا ماده هدف خارج شوند و در مدت زمان کوتاهی تشکیل نانو ذرات را دهند. به همین علت نانو ذرات نقره تشکیل شده در محیط آب یخ دارای اندازه ذرات کوچک‌تر از محیط آب در دمای اتاق است و پیک SPR مربوط به محیط آب یخ به سمت چپ (طولموجهای کمتر) جابجا شده که نشان‌دهنده اندازه ذرات کوچک‌تر است.
حاماد و همکاران25 تحقیقاتی را در سال‌های 2015 و 2020 به ترتیب با استفاده از لیزرهای پیکوثانیه (در طول‌موج
nm 1064) و نانوثانیه (در طول‌موج nm 532) برای سنتز نانو ذرات به روش LAL انجام دادند [13-14]. آن‌ها تأثیر دمای آب را روی نانو ذرات نقره – اکسید تیتانیم (در سال 2015) و نقره (در سال 2020) مورد بررسی قراردادند. آن‌ها نیز به این نتیجه رسیدند که با کاهش دمای آب در حالت آب یخ، بازده و اندازه ذرات کاهش می‌یابد؛ بنابراین با توجه به بازده بالاتر تولید نانو ذرات نقره در دمای محیط نسبت به حمام یخ، ادامه بررسی‌ها در دمای محیط انجام می‌گیرد.
شکل (2): پیک‌های جذبی محلول کلوئیدی نانو ذرات نقره تولید شده به روش LAL در آب مقطر (DW) در دمای محیط و در حمام یخ (IB) برای طول‌موج nm 532 در 5000 پالس لیزر.
جدول (1): نتایج آنالیز AAS برای غلظت نانو ذرات نقره تولید شده به روش LAL در آب مقطر در دمای محیط و در حمام یخ برای طول‌موج nm 532 در 5000 پالس لیزر.
غلظت (ppm) | محیط مایع | طول‌موج (nm) |
5/0± 7 | آب مقطر در دمای محیط |
532
|
5/0± 8/2 | آب یخ |
3-2- بررسی اثر طول‌موج روی سنتز نانو ذرات نقره
بررسی اثر طولموجهای nm 532 و nm 1064 در دمای محیط در تعداد 5000 پالس در محلول آب مقطر انجام گرفت. شکل (3) پیک‌های جذبی محلول کلوئیدی نانو ذرات نقره را در طولموجهای nm 532 و nm 1064 در تعداد 5000 پالس به روش LAL نشان می‌دهد.
پیک SPR برای طولموجهای nm 532 و nm 1064 در nm 408 نمایان شده است که تأیید کننده حضور نانو ذرات نقره در محلول کلوئیدی است؛ اما طول‌موج nm 532 دارای پیک جذبی بالاتری نسبت به طول‌موج nm 1064 است. طبق معادله انرژی فوتون E = hc/λ، طول‌موج فوتون با انرژی رابطه معکوس دارد؛ بنـابراین لیـزر در طولموجهای سبـز (nm 532 UV -) در مقـایسه با طولموجهای قرمز (nm 1064IR -) انرژی فوتون بیشتری را از طریق پالسهای لیزر به توده قطعه منتقل می‌کند [15]. به‌منظور بررسی بیشتر بازده تولید نانو ذرات در طولموجهای سبز و قرمز در جدول (2) نتایج آنالیز AAS ارائه شده است. در طولموجهای سبز و قرمز به ترتیب غلظت نمونه‌ها در 5000 پالس برابر با ppm 5/0 ± 7 و ppm 5/0 ± 6/6 است که طول‌موج سبز دارای بازده تولید بالاتری می‌باشد. این اثر انرژی فوتون بالاتر طول‌موج سبز تا زمانی که محلول کلوئیدی به حالت اشباع نرسیده است باعث بازده بالاتر نسبت به طول‌موج قرمز میشود [16].
همان‌طور که مشاهده میشود در تعداد پالسهای 5000 و 10000 هر دو طول‌موج nm 532 و nm 1064 دارای پیک جذبی برابری بودند که نشان‌دهنده این است که در این تحقیق طول‌موج تأثیر قابل‌توجهی روی اندازه نانو ذرات نداشته است. از طرف دیگر پیک جذبی در 5000 پالس از nm 408 به nm 406 در 10000 پالس کاهش داشته است که این می‌تواند به خاطر خرد شدن نانو ذراتی باشد که در مسیر پالسهای لیزر قرار گرفته بودند.
در تحقیقی مشابه توسط حیدر و همکاران26 [17] به نتایج مشابهی با لیزر Nd:YAG نانوثانیه با انرژی mJ 800، فرکانس HZ 1 در طولموجهای nm 355، 532 و 1064 برای 500 پالس رسیدند. به‌طوری‌که میزان پیک جذبی برای طولموجهای nm 355 و nm 532 بیشتر از طول‌موج nm 1064 بود.
غلظت (ppm) | طول‌موج (nm) | محیط مایع |
5/0± 7 | 532 |
آب مقطر
|
5/0± 6/6 | 1064 |
برای بررسی محلول کلوئیدی در غلظت‌های بالاتر نانو ذرات نقره، محلول کلوئیدی در 10000 پالس لیزر در طولموجهای nm 532 و nm 1064 تهیه شد. طیف جذبی UV-Vis از محلول کلوئیدی حاوی نانو ذرات نقره به‌دست‌آمده از روش LAL در محلول آب مقطر (دمای محیط) در طولموجهای nm 532 و nm 1064 در 10000 پالس در محدوده اندازه‌گیری طول‌موج nm 800 – 350 در شکل 4 نشان داده شده است. همان‌طور در شکل 4 مشاهده میشود هر دو پیک مربوط به طولموجهای nm 532 و nm 1064 دارای پیک جذبی در nm 406 می‌باشند. پیک SPR در محدوده طول‌موج nm 480 – 380 مربوط به نانو ذرات نقره می‌باشد [8-9]؛ بنابراین پیک جذبی مشاهده شده در شکل (4) تأیید کننده حضور نانو ذرات نقره است. تغییر در موقعیت پیک SPR ممکن است نشان‌دهنده اندازه ذرات متفاوت باشد. به عبارتی با تغییر پیک به سمت طولموجهای بالاتر نشان‌دهنده افزایش اندازه نانو ذرات است. در این نمونه‌ها که دارای پیک جذبی یکسان هستند نشان می‌دهد که اندازه نانو ذرات تقریباً با یکدیگر برابر می‌باشند. همچنین مقدار پیک جذبی در آنالیز UV-Vis حاکی از بازده تولید می‌باشد که نانو ذرات تولید شده در این طول‌موج دارای بازده تقریباً برابری می‌باشند [7]. لذا به‌منظور بررسی کمی بازده تولید نانو ذرات در این طول‌موج‌ها، از نمونه‌ها آنالیز AAS تهیه شد. در جدول (3) غلظت نانو ذرات تولید شده در طولموجهای nm 532 و 1064 آورده شده است. مطابق جدول (3) غلظت نانو ذرات تولید شده در طولموجهای nm 532 و nm 1064 به ترتیب برابر با ppm 5/0 ± 1/15 و ppm 5/0 ± 6/17 است. علت این کاهش بازده در طول‌موج nm 532 نسبت به طول‌موج nm 1064 به خاطر بیشتر بودن اثر خود جذب نانو ذرات در طول nm 532 نسبت به طول‌موج nm 1064 است [18]. به‌طوری‌که میزان جذب نقره در طولموجهای nm 532 و 1064 به ترتیب برابر با 28/0 و 1/0 می‌باشد [19]. در این حالت در طول‌موج nm 532 با افزایش نانو ذرات تولیدی در محلول کلوئیدی باعث کاهش برخورد پرتو ورودی به توده نمونه و تولید نانو ذرات کمتر میشود.
طول‌موج لیزر اساساً بر میزان فرسایش در LAL تأثیر می‌گذارد. تقریباً اکثر مطالعات راندمان بالاتر با استفاده از نور لیزر IR را در مقایسه با UV یا Vis نشان می‌دهند. بااین‌حال، در فرایند LAL، محافظت ناشی از نانو ذرات به دلیل پراکندگی رایلی27 [20] نیز می‌تواند باعث تفاوت‌ها در راندمان شود. علاوه بر این، تقریباً برای همه فلزات سطح مقطع جذب بالاتری برای نانو ذرات در طولموجهای UV یا Vis در مقایسه با طولموجهای IR ارائه میشود [3]. وقتی فرسایش لیزری در محیط مایع انجام میشود، تأثیر طول‌موج بسیار محسوس است؛ زیرا همان‌طور که قبلاً هم گفته شد در محیط مایـع ذرات در مسیر پالسهای بعدی لیزر قرار میگیرند که این عامل دارای اثرات منفی می‌باشد و نرخ فرسایش را کاهش و توزیع اندازه ذرات را گسترش می‌دهد؛ بنابراین این اثر باز جذب را می‌توان با استفاده از طول‌موج لیزر نزدیک به مادون‌قرمز از بین برد [21].
در تحقیقی مشابه توسط حیدر و همکاران [17] سنتز نانو ذرات نقره را در محلول آب مقطر با لیزر Nd:YAG نانوثانیه با مدت زمان پالس ns 10، انرژی mJ 800 و فرکانس Hz 1 برای طولموجهای nm 355، 532 و 1064 نانومتر انجام دادند. در این تحقیق مشاهده شد هرچه تعداد پالس از 500 به 1000 پالس افزایش می‌یابد، طولموجهای بالاتر دارای جذب بالاتری در مقایسه با طولموجهای پایین‌تر دارند. به‌طوری‌که در 1000 پالس جذب طولموجهای nm 532 و 1064 برابر و بیشتر از طول‌موج nm 355 می‌باشد. همچنین در تحقیقی دیگر توسط تسوجی و همکاران28 سنتز نانو ذرات نقره را با لیزر Nd:YAG نانوثانیه با چگالی انرژی mJ/pulse 12 به مدت 30 دقیقه در محلول آب انجام دادند [19]. در این تحقیق مشاهده شد که طول‌موج nm 1064 دارای پیک جذبی بالاتری نسبت به طولموجهای nm 532 و 355 می‌باشد. این افزایش جذب در طولموجهای بالاتر به خاطر زمان و انرژی کافی در تولید نانو ذرات بوده است. درحالی‌که در طولموجهای پایین‌تر به خاطر اثر خود جذب نانو ذرات بازده تولید نانو ذرات و جذب پیک UV-Vis کاهش پیدا کرده است.
جدول (3): نتایج آنالیز AAS برای غلظت نانو ذرات نقره تولید شده به روش LAL در آب مقطر برای طولموجهای nm 532 و nm 1064 در10000 پالس لیزر.
غلظت (ppm) | طول‌موج (nm) | محیط مایع |
5/0± 1/15 | 532 |
آب مقطر
|
5/0± 6/17 | 1064 |
3-3- جمع‌بندی اثر طول‌موج و دمای محلول در سنتز نانو ذرات نقره
بررسی اثر طول‌موج روی سنتز نانو ذرات نقره به روش LAL انجام گرفت تا بهترین طول‌موج برای بررسی‌های بعدی انتخاب گردد. همچنین بررسی اثر دمای محلول نیز برای سنتز نانو ذرات نقره به روش LAL در طول‌موج nm 532 در آب مقطر در دمای محیط و حمام یخ انجام شد. نتایج حاکی از آن بود که نانو ذرات نقره سنتز شده در دمای محیط دارای بازده بالاتر و اندازه ذرات بزرگ‌تری نسبت به حمام یخ می‌باشند. ازآنجاکه بازده بالای نانو ذرات یکی از اولویت‌های مهم روش LAL است و در بحث اندازه نانو ذرات نیز هر دو دمای محیط و حمام یخ نانو ذرات در مقیاس نانومتر می‌باشد، دمای محیط برای بررسی‌های بعدی انتخاب گردید.
فرایند LAL توده نقره در محلول آب مقطر نشان داد که طول‌موج nm 1064 با توجه به نتایج آنالیز AAS در 10000 پالس لیزر دارای بازده بالاتری نسبت به طول‌موج nm 532 است. همچنین در این طول‌موج‌ها (nm 532 و nm 1064) با توجه به پیک SPR یکسان آن‌ها اندازه نانو ذرات تولید شده توسط این دو روش با توجه به نتایج آنالیز UV-Vis تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند. از طرف دیگر با توجه بررسی‌های انجام شده اثر خود جذب نانو ذرات در طول‌موج nm 1064 کمتر از طول‌موج nm 532 است؛ بنابراین برای فرایند LAL نقره طول‌موج nm 1064 مناسب‌تر می‌باشد. پس به‌عنوان یک نتیجه‌گیری کلی طول‌موج nm 1064 و دمای محیط به‌عنوان شرایط بهینه برای بررسی‌های بعدی در نظر گرفته میشود.
3-4- بررسی اثر محلول روی سنتز نانو ذرات نقره
3-4-1- آنالیز UV-Vis
در شکل 5 طیف‌های جذبی به‌دست‌آمده از محلول‌های کلوئیدی حاوی نانو ذرات نقره به‌دست‌آمده توسط روش LAL در طول‌موج nm 1064 را در محیط‌های AC، CTAC، PVP، SDS و DW نشان می‌دهد. طیف جذبی نانو ذرات نقره برای محیط‌های AC، CTAC، PVP، SDS و DW به ترتیب در طولموجهای nm 408، 410، 408، 410 و 406 نمایان شده است. پیک‌های SPR ظاهر شده مربوط به نانو ذرات نقره کروی یا نیمه کروی می‌باشد [23-22]. کمترین طول‌موج هم مربوط به DW است که بر طبق نظریه مای نشان‌دهنده اندازه ذرات کوچک‌تر آن می‌باشد. در DW به علت کم بودن حرکت براونی29 نانو ذرات در محلول و عدم وجود مانع به دلیل راندمان پائین تولید در محیط DW، باعث کاهش اندازه نانو ذرات تولیدی به خاطر برهمکنش پائین نانو ذرات با یکدیگر میشود [24].
همان‌طور که از نتایج آنالیز UV-Vis مشاهده میشود محلول کلوئیدی نقره حاوی پایدارکننده SDS دارای بیشترین شدت پیک می‌باشد که حاکی از بازده بالای تولید نانو ذرات در این محلول می‌باشد. بر اساس آنالیز UV-Vis ترتیب بازده تولید نانو ذرات در محلول به‌صورت SDS ˃ CTAC ˃ AC ˃ PVP ˃ DW می‌باشد.
علت افزایش بازده محلول‌های حاوی پایدارکننده نسبت به DW می‌تواند به خاطر افزایش چگالی و ویسکوزیته حلال باشد که باعث محصور شدن پلاسما در نزدیک سطح توده نقره میشود. این پلاسمای محصورشده به دلیل فشار بالای امواج ضربه‌ای که ایجاد می‌کند به فرسایش سطح نقره کمک می‌کند [23]. البته لازم به ذکر است که افزایش زیاد چگالی و ویسکوزیته نیز خود مانعی بر سر راه عبور پرتو لیزر است و باعث کاهش بازده می‌گردد. همان‌طور که در شکل 5 نیز مشاهده میشود PVP بازده پائین تری نسبت به CTAC و SDS دارد که این به خاطر بالا بودن ویسکوزیته و چگالی محلول PVP می‌باشد؛ بنابراین افزایش ویسکوزیته و چگالی مقدار بهینه‌ای دارد. در تحقیقی توسط بایی و همکاران30 تأثیر غلظت PVP (mM 0، 01/0 و 4/0) را روی فرایند LAL نقره مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از آنالیز UV-Vis نشان داد که با افزایش غلظت PVP از mM 01/0 به mM 4/0 باعث افزایش شدت پیک جذبی میشود. علت این افزایش شدت پیک را در پلاسمای محصورشده روی سطح توده قطعه و ایجاد موج ضربه‌ای روی هدف در غلظت‌های بالاتر PVP دانستند که منجر به تولید نانو ذرات بیشتر میشود [23].
بالا بودن میزان شدت پیک AC نسبت به DW را نیز می‌توان با توجه به خواص فیزیکی این دو حلال تحلیل کرد. پرتو لیزر قبل از رسیدن به سطح هدف دارای دو فرآیند بازتابی انعکاس از سطح مشترک هوا – مایع (ضریب شکست) و بازتاب از فصل مشترک سطح مایع- هدف است. با توجه به اینکه ضریب شکست AC و DW تقریباً برابر و جنس هدف نیز ثابت است، عامل میزان عبور نور می‌تواند در LAL توده قطعه تأثیرگذار باشد. با توجه به اینکه عبور نور در AC و DW به ترتیب برابر با 1، 54559/0 است [25]؛ بنابراین فرایند LAL در DW به‌عنوان محیط برهمکنش باعث میشود انرژی لیزر توسط DW جذب گردد و انرژی لیزر کمتری به سطح هدف برسد. لذا فرایند LAL در AC باعث تولید نانو ذرات بیشتری میشود.
در تحقیقی توسط مهدیه و همکاران31 فرایند LAL آلومینیوم را در طول‌موج nm 1064 در محیط‌های مختلف مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از طیف جذبی نشان داد که پیک جذبی در محیط AC بیشتر از DW است که این محققین علت آن را به خاطر در صد عبور نور بالاتر در محیط AC نسبت به DW مربوط دانستند [26]. بیشتر بودن پیک مشخصه SPR در SDS، CTAC، PVP و AC نسبت به DW نیز می‌تواند به دلیل اثر محلول و عامل‌های پوشاننده باشد که باعث تغییر جذب پلاسمون شده است [23]. همچنین عامل دیگر تأثیرگذار روی پیک جذبی یا راندمان تولید نانو ذرات پتانسیل احیای محلول‌های مختلف می‌باشد که در احیای یون‌ها به نانو ذرات فلزی تأثیرگذار است [27].
در تحقیقی توسط جیانفنگ و همکاران32 نانو ذرات مس را به روش شیمیایی در مدت‌زمان‌های مختلف سنتز کردند. آن‌ها عدم وجود پیک جذبی در آنالیز UV-Vis را مربوط به یون‌های مس دانستند که در زمان‌های پایین واکنش (0، 1 و 4 دقیقه) هیچ پیک SPR از نمونه‌ها پدیدار نشده است. با تکمیل واکنش و احیا یون‌های مس، پیک SPR نمونه در آنالیز UV-Vis ظاهرشده است [27]. برای تأیید یا رد نتایج حاصل از آنالیز UV-Vis در ادامه آنالیزهای کمی بیان خواهد شد.
شکل (5): طیف جذبی UV-Vis نانو ذرات نقره در محیط‌های مایع مختلف.
3-4-2- آنالیز AAS
به‌منظور بررسی کمی تولید نانو ذرات نقره در محلول‌های مختلف غلظت محلول‌های کلوئیدی با اندازه‌گیری AAS مشخص شد. در جدول (4) غلظت نانو ذرات نقره بر اساس آنالیز AAS با درصد خطای 5/0 ± برای محلول‌های AC، CTAC، DW، PVP و SDS آورده شده است. مطابق جدول (4) غلظت نانو ذرات نقره برای محلول‌های AC، CTAC، DW، PVP و SDS به ترتیب برابر با ppm 6/23، 4/32، 5/16، 6/17 و 8/33 است. محلول‌های مختلف دارای ویژگی‌های نوری متفاوتی هستند که باعث تأثیرپذیری روی برهمکنش پرتو لیزر با هدف میشود. غلظت‌های به‌دست‌آمده از آنالیز AAS تأیید کننده نتایج حاصل از آنالیز UV-Vis در ارتباط با بازده تولید نانو ذرات نقره در محلول‌های مختلف می‌باشد.
جدول (4): غلظت نانو ذرات نقره بر اساس نتایج آنالیز AAS.
محیط‌های مایع مختلف | غلظت (ppm) |
AC | 6/23 |
CTAC | 4/32 |
DW | 5/16 |
PVP | 6/17 |
SDS | 8/33 |
3-4-3- آنالیز DLS
توزیع اندازه نانو ذرات نقره سنتز شده به روش LAL در محیط‌های DW، AC، CTAC، PVP و SDS با استفاده از آنالیز DLS مورد تجزیه‌وتحلیل قرار گرفت. نمودار آماری و توزیع اندازه ذرات نانو ذرات نقره سنتز شده به روش LAL در محیط‌های مختلف به ترتیب در شکل‌های 6 (الف - ه) و 6 (و) آورده شده است. قطر متوسط نانو ذرات نقره 33 (Z - میانگین) در محلول‌های DW، AC، CTAC، PVP و SDS به ترتیب برابر با 5/82، 226، 86، 750 و 112 نانومتر بود. این نتایج به‌خوبی تأثیر محلول سورفکتانت را بر اندازه هیدرودینامیکی نانو ذرات نشان می‌دهد. علت تفاوت نتایج DLS با آنالیز UV-Vis در این است که در آنالیز DLS قطر هیدرودینامیکی نانو ذرات اندازه‌گیری میشود و از طرف دیگر اندازه‌گیری ذرات بزرگ‌تر بر اندازه ذرات کوچک‌تر غالب است. در واقع، تقریب ریلی34 می‌تواند نشان دهد که شدت پراکندگی متناسب با D6 است (D قطر ذره). به‌عنوان‌مثال، اگر دو ذره را در نظر بگیریم که قطر یک ذره 10 برابر بزرگ‌تر از ذره دیگر باشد، فاکتور D6 بیانگر این خواهد بود که بزرگ‌ترین ذره می‌تواند 106 برابر نور بیشتری را در مقایسه با کوچک‌ترین ذره پراکنده کند. از طرف دیگر نوری را که توسط ذرات بزرگ‌تر پراکنده می‌شوند می‌توانند نور پراکنده‌شده از ذرات کوچک‌تر را پنهان کنند [28-29]؛ بنابراین، اندازه نانو ذرات به‌دست‌آمده توسط تجزیه‌وتحلیل DLS بزرگ‌تر از اندازه واقعی آن‌ها است.
شکل (6): نمودار آماری اندازه نانو ذرات نقره در الف) DW، ب) AC، ج) CTAC، د) PVP، ه) SDS و و) توزیع اندازه ذرات نقره در محیط‌های مایع مختلف (مقدار PDI در پرانتز).
مقادیر شاخص چند پراکندگی35 (PDI) برای نانو ذرات نقره سنتز شده به روش LAL در محیط‌های DW، AC، CTAC، PVP و SDS به ترتیب برابر با 44/0، 42/0، 36/0، 46/0 و 31/0 می‌باشند (شکل 4-7 (و)). با توجه به مقادیر PDI، نانو ذرات نقره در محلول‌های CTAC و SDS دارای پراکندگی متوسط36 و در محلول‌های DW، AC و PVP دارای پراکندگی گسترده37 می‌باشند [30].
3-4-4- آنالیزهای FE-SEM، AFM و HR-TEM
مورفولوژی و اندازه نانو ذرات نقره با استفاده از آنالیز FE-SEM مورد بررسی قرار گرفت. تصاویر مربوط به نانو ذرات سنتز شده به روش LAL در محیط‌های DW، AC، CTAC، PVP و SDS در شکل (7) نشان داده شده است. نانو ذرات سنتز شده در شکل (7) با مورفولوژی کروی یا نیمه کروی به‌صورت روشن در تصاویر مشخص است. در فرآیند LAL پلوم پلاسمای ایجاد شده مخلوطی از مواد فرسایش یافته (نانو ذرات)، فازهای مایع و بخار با فشار موضعی بالا است. تفاوت بین فشار مایع و بخار محیط در مرز پلوم پلاسما به‌اضافه امواج ضربه‌ای ناشی از برخورد پرتو لیزر با توده ماده باعث ایجاد نانو ذرات کروی مانند میشود [31].
بارهای سطحی نانو ذرات نقره در محیط‌های مایع مختلف تغییر می‌کند و منجر به برهمکنش‌های متفاوتی بین نانو ذرات میشود. برای نمونه آب مقطر در شکل 7 (الف) تجمع بین نانو ذرات رخ داده است. در نمونه استون به دلیل گشتاور دوقطبی زیاد مولکول‌های استون در اطراف نانو ذرات مانع از تجمع آن‌ها شده است. به عبارتی عواملی مانند گشتاور دوقطبی و ویسکوزیته حلال به‌عنوان عواملی مهم برای جلوگیری از تجمع بین نانو ذرات طبق نظر محققین در نظر گرفته شده‌اند [32]. گشتاور دوقطبی مولکول‌های حلال برهمکنش الکترواستاتیکی را افزایش می‌دهند و یک لایه الکتریکی دوگانه قوی در سطح نانو ذرات ایجاد می‌کنند. به همین دلیل، در استون به خاطر گشتاور دوقطبی بیشتر از آب (حدوداً 5/1 برابر) باعث ایجاد دافعه بین نانو ذرات شده و از تجمع آن‌ها جلوگیری می‌کند.
در نمونه‌های CTAC، PVP و SDS که به ترتیب در شکل‌های 7 (ج، د و ه) نشان داده شده‌اند، به دلیل پایداری الکترواستاتیکی و فضایی ایجاد شده بین نانو ذرات نقره، از تجمع آن‌ها جلوگیری میشود.
شکل (7): تصاویر FE-SEM از نانو ذرات نقره سنتز شده به روش LAL در محیط‌های الف) DW، ب) AC، ج) CTAC، د) PVP و ه) SDS.
یک روش برای مطالعه مورفولوژی و اندازه نانو ذرات است. شکل 8 (الف - ه) تصاویر AFM از نانو ذرات نقره سنتز شده به روش LAL را در محیط‌های DW، AC، CTAC، PVP و SDS نشان می‌دهد. تصاویر AFM نشان می‌دهد که ذرات دارای ابعاد نانومتری با مورفولوژی کروی یا شبه کروی می‌باشند. افزایش اندازه نانو ذرات می‌تواند به دلیل در کنار هم قرار گرفتن نانو ذرات روی بستر سیلیکونی باشد. همان‌طور که در شکل 8 (الف) مشخص است به دلیل نبود هیچ‌گونه عامل محافظت‌کننده‌ای در آب مقطر، نانو ذرات بیشتر تمایل دارند به یکدیگر متصل شوند.
شکل (8): تصاویر AFM از نانو ذرات نقره سنتز شده به روش LAL در محیط‌های الف) DW، ب) AC، ج) CTAC، د) PVP و ه) SDS.
به‌منظور بررسی‌های بیشتر جهت بررسی اندازه نانو ذرات و فازهای تشکیل شده به ترتیب از آنالیزهای HR-TEM و XRD استفاده شد. بدین منظور نانو ذرات سنتز شده در محلول AC برای ادامه بررسی‌ها انتخاب گردید. از آنجا که اندازه نانو ذرات سنتز شده در محدوده نانومتری بودند و AC به‌عنوان یک حلال غیرآبی دارای نتایج قابل قبولی بود انتخاب گردید. علاوه بر این AC به خاطر وجود زنجیره‌های هیدروکربنی می‌تواند مانع از اکسیداسیون و تجمع نانو ذرات شود و به‌عنوان یک حلال مناسب و بدون پایدارکننده خارجی دیگر در فرایند LAL مورد استفاده قرار گیرد [1].
به‌منظور اطمینان از اندازه و مورفولوژی نانو ذرات نقره در محلول AC از آنالیز HR-TEM استفاده شد (شکل 9). در شکل 9 (الف) تصویر HR-TEM نشان می‌دهد که نانو ذرات تقریباً کروی با میانگین اندازه ذرات nm 65 هستند. در شکل 9 (ب) و (ج) به ترتیب تصویر با وضوح بالا از یک نانو ذره نقره و تبدیل فوریه سریع38 (FFT) مربوط به آن نشان داده شده است. تصویر FFT برای درک بهتر صفحات نانو ذرات نقره با توجه به پرتو الکترونی مورد استفاده قرار گرفت. فاصله صفحات اندازه‌گیری شده برای این نانو ذره nm 24/0، nm 21/0، nm 14/0، nm 12/0 و nm 12/0 بود که این اندازه‌گیری‌ها به ترتیب مطابق با صفحات کریستالی [111]، [200]، [220]، [311] و [222] نقره با ساختار کریستالی مکعبی وجوه مرکزدار39 (FCC) می‌باشد.
شکل (9): الف) تصویر HR-TEM از نانو ذرات نقره با مقیاس nm 500، ب) تصویر HR-TEM از یک نانو ذره نقره با مقیاس nm 20 و ج) تصویر FFT مربوط به تصویر (ب).
3-4-5- آنالیز XRD
آنالیز فازی نانو ذرات نقره تهیه شده در AC به روش LAL با استفاده از آنالیز XRD مورد بررسی قرار گرفت. الگوهای XRD نانو ذرات نقره سنتز شده به روش LAL در محلول AC در شکل 10 نشان داده شده است. برای نانو ذرات نقره مطابق شکل 10 پیک‌های ظاهرشده در ₀2/38، ₀4/44، ₀5/64 و ₀5/77 به ترتیب مربوط به صفحات (111)، (200)، (220) و (311) نقره با ساختار FCC هستند (0717-087-01). این پیک‌ها مشخصه تشکیل فاز نقره خالص FCC بدون اکسید یا سایر فازهای ناخالصی را تأیید می‌کند. عدم وجود پیک‌های اکسیدی و ناخالصی بیانگر این است که استون محیط مناسبی برای سنتز نانو ذرات نقره می‌باشد.
این پایداری در برابر اکسیداسیون احتمالاً ناشی از وجود لایه کربنی در سطح نانو ذرات است. در طول سنتز نانو ذرات، هسته‌های نقره می‌توانند با اتم‌های کربن موجود در AC پیوند برقرار کنند. به‌طوری‌که نانو ذرات سنتز شده توسط یک لایه جذب شده از کربن پوشیده می‌شوند [33].
اندازه بلورک‌های40 نانو ذرات نقره با استفاده از رابطه دبای شرر مطابق رابطه 1 محاسبه شد [34]. در این رابطه 9/0 = K فاکتور شکلی، λ طول‌موج پرتوایکس (معادل Å 540598/1)، β پهنای کامل در نصف حداکثری پیک پراش و q زاویه مربوط به پیک پراش می‌باشد. اندازه بلورک‌های نانو ذرات نقره محاسبه‌شده از رابطه 1 برابر با nm 44 می‌باشد. اندازه بلورک‌های حاصل شده نانو ساختار بودن نانو ذرات را تأیید می‌کند؛ بنابراین با توجه به نتایج حاصل شده از XRD نانو ذرات نقره سنتز شده عاری از اکسید و ناخالصی و با ساختار نانو می‌باشند که نشان می‌دهد محلول استون محیطی مناسب برای سنتز نانو ذرات نقره است.
رابطه (1) |
|
