نانوذرات(تولید و کاربرد ها)

نانوذرات(تولید و کاربرد ها)
با گذر از میکروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیکی روبرو می‌شویم، که دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات کوانتومی.
افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم که به‌تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه‌یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می‌گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی کلیدی در کارکرد کاتالیزور‌ها و ساختارهایی همچون الکترودها- یا افزایش کارآیی فناوری‌هایی همچون پیل سوختی و باتری‌ها- می‌باشد. مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط‌شده در نانوکامپوزیت‌ها می‌شود و خواص ویژه‌ای همچون افزایش استحکام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب می‌شود.
از مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتومی به صورتی ناگهانی‌تر رخ می‌دهد. به محض آن که ذرات به اندازه کافی کوچک شوند، شروع به رفتار مکانیک کوانتومی می‌کنند. خواص نقاط کوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند؛ چون الکترون‌های آزاد آنها مشابه الکترون‌های محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می‌کنند.
علاوه بر این، کوچک‌تربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می‌نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته‌بندی، مواد آرایشی و روکش‌ها مناسب باشند.
برخی از خواص نانوذرات با درک افزایش اثر اتم‌های سطحی یا اثرات کوانتومی به‌راحتی قابل پیش‌بینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است که «نانوکره‌های» به‌خوبی شکل‌یافتة سیلیکون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نه‌تنها سخت‌تر از سیلیکون می‌باشند بلکه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار می‌گیرند.
نانوذرات از زمان‌های بسیار دور مورد استفاده قرار می‌گرفتند. شاید اولین استفاده آنها در لعاب‌های چینی سلسله‌های ابتدایی چین بوده است. در یک جام رومی موسوم به جام لیکرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ‌های متفاوتی از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید. البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است.
کربن بلک مشهورترین مثال از یک ماده نانوذره‌ای است که ده‌ها سال به طور انبوه تولید شده است. حدود 5/1 میلیون تن از این ماده در هر سال تولید می‌شود. البته نانوفناوری راهی برای استفادة آگاهانه و آزادانه از طبیعت نانومقیاس ماده است و کربن بلک‌های مرسوم نمی‌توانند برچسب نانوفناوری را به خود بگیرند. با این حال قابلیت‌های تولید و آنالیز جدید در نانومقیاس و پیشرفت‌های ایجادشده در درک نظری رفتار نانومواد- که قطعاً به معنای نانوفناوری است- می‌تواند به صنعت کربن بلک کمک نماید.
نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می‌شوند؛ معمول‌ترین آنها نانوذرات سرامیکی می‌باشد، که به بخش سرامیک‌های اکسید فلزی- نظیر اکسید‌های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن- نانوذرات سیلیکات که عموماً به شکل ذرات نانومقیاسی خاک رس می‌باشند، تقسیم می‌شوند. طبق تعریف حداقل باید یکی از ابعاد آنها کمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سرامیکی فلزی یا اکسید فلزی تمایل به داشتن اندازة یکسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممکن است شما انتظار داشته باشید که چنین ذرات کوچکی در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسیلة نیروهای الکتروستاتیک به یکدیگر چسبیده و به شکل پودر بسیار ریزی رسوب می‌کنند).
نانوذرات سیلیکاتی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند ذراتی با ضخامت تقریباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سال‌ها پیش از این تولید می‌شده‌اند، معمول‌ترین نوع خاک رس که مورد استفاده قرار می‌گیرد مونت‌موریلونیت (Montmorillonite)، یا آلومینوسیلیکات لایه‌ای می‌باشد. نانوذرات می‌توانند با پلیمریزاسیون یا به وسیلة آمیزش ذوبی (اختلاط با یک پلاستیک مذاب) با پلیمرها ترکیب شوند. برای پلاستیک‌های ترموست این یک فرآیند یک‌ طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محکم و سفت می‌شوند و نمی‌توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستیک‌ها می‌توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.
نانوذرات فلزی خالص می‌توانند بدون اینکه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پائین‌تر از دمای ذوب ذرات بزرگ‌تر، وادار به آمیخته شدن با یک جامد شوند؛ این کار منجر به سهل‌تر شدن فرآیند تولید روکش‌ها و بهبود کیفیت آنها، خصوصاً در کاربردهای الکترونیکی نظیر خازن‌ها، می‌گردد. نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی نیز می‌توانند در ایجاد لایه‌های نازک- چه بلوری و چه آمورف- مورد استفاده قرار گیرند.
نانوذرات سرامیکی نیز می‌توانند، مانند نانوذرات فلزی، در دماهای کمتر از دمای همتاهای غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده‌ای تبدیل شوند و هزینة ساخت را کاهش دهند. سیم‌های ابررسانا از نانوذرات سرامیکی ساخته می‌شوند؛ چون در حالی که مواد سرامیکی متعارف بسیار شکننده هستند، مواد سرامیکی نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes ای نسبتاً انعطاف‌پذیرند. یک زمینة بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکش‌های نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می گیرد. مثلاً نیروی دریایی آمریکا هم اکنون از سرامیک‌های نانوبلورین استفاده می کند.
اگر چه نانوذرات سرامیکی اکسید فلزی، فلزی و سیلیکاتی با کاربردهای کنونی و پیش‌بینی شده بخش اعظم نانوذرات را تشکیل می‌دهند، اما نانوذرات بسیار دیگری نیز وجود دارند. ماده‌ای به نام کیتوسان (Chitosan)، که در حالت دهنده‌های مو و کرم‌های پوست مورد استفاده قرار می‌گیرد، از نانوذرات ساخته شده‌ است. این فرآیند در اواخر سال 2001 ثبت شد. این نانوذرات جذب را افزایش می‌دهند.
روش‌های تولید
برای تولید نانوذرات روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد. این روش‌ها اساساً به سه گروه تقسیم می‌شوند: چگالش از یک بخار، سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب کردن. پس از تولید می‌توان ذرات را بسته به نوع کاربردشان مثلاً با مواد آب دوست یا آب گریز پوشاند.
چگالش بخار
از این روش برای ایجاد نانوذرات سرامیکی فلزی و اکسید فلزی استفاده می‌شود. این روش شامل تبخیر یک فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشکیل خوشه‌های نانومتری است که به صورت پودر ته‌نشین می‌شوند. از روش‌های مختلفی می‌توان برای تبخیر فلز استفاده نمود و تغییر دستگاهی که امکان تبخیر را به وجود می‌آورد، طبیعت و اندازة ذرات را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در هنگام ایجاد نانوذرات فلزی برای جلوگیری از اکسیداسیون از گازهای بی‌اثر استفاده می‌شود، حال آنکه برای تولید نانوذرات سرامیکی اکسیدفلزی از اکسیژن هوا استفاده می‌شود. مهم‌ترین مزیت این روش میزان کمی آلودگی است. در نهایت اندازة ذره با تغییر پارامترهایی نظیر دما و محیط گاز و سرعت تبخیر کنترل می‌شود.
یک روش که شاید در اصل، چگالش بخار نباشد روش سیم انفجاری است که از آن توسطArgonide استفاده می‌کند. به خاطر اینکه سیم فلزی در اثر انفجار به خوشه‌های فلزی تبدیل ‌شود جریان برقی با ولتاژ بالا به آن اعمال می‌شود (مشابه دمیدن با یک مفتول به درون حباب شیشه‌ای مذاب). این کار در یک گاز بی‌اثر انجام می‌شود که سریعاً ‌ذرات را فرو می‌نشاند.
نوع دیگری از روش چگالش بخار، روش تبخیر در خلأ بر روی مایعات روان (Vaccum Evaporation on Running Liquids) است. در این روش از فیلم نازکی از مواد نسبتاً‌ ویسکوز- یک روغن یا پلیمر- در یک استوانة دوار استفاده می‌شود. در این دستگاه، خلأ ایجاد می‌شود و فلز مورد نظر در خلأ ‌تبخیر یا پراکنده می‌شود؛ ذرات معلقی که در مایع تشکیل می‌شوند، می‌توانند به اشکال مختلفی رشد یابند.
توشیبا با استفاده از رسوبدهی شیمیایی بخار (CVD) که عموماً برای تولید فیلم‌های نازک در صنعت مدارات مجتمع به کار می‌رود، روش جدیدی را برای تولید نانوذرات توسعه داده است. هر دو شکل مایع و گاز در یک رآکتور قرار داده می‌شود. برحسب پارامترهای مختلف (مثل نسبت گاز به مایع، نحوة افزایش گاز و مایع،‌ دما و زمان حرارت‌دهی) اشکال مختلفی از ذرات را می‌توان تولید کرد. همسان‌بودن نانوذرات در برخی از کاربردها از اهمیت زیادی برخوردار است؛ مثلاً جهت استفاده از نانوذرات در دیسک‌های ذخیره داده لازم است همه آنها هم‌اندازه باشند. این شرکت فرآیند خود را با اکسید تیتانیوم آزمایش کرده و نانوکره‌هایی با ابعاد nm100-1 پدید آورده است. همچنین با پوشش‌دادن یکی از آنها با چندین ذره، خوشه‌ای از ذرات را ساخته است.
سنتز شیمیایی
عمدتاً استفاده از روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در یک واسطة مایع، حاوی انواع واکنشگرهاست. روش سل ژل نمونة چنین روشی است. از این روش برای ایجاد نقاط کوانتومی نیز استفاده می‌شود. به طور کلی برای کنترل شکل نهایی ذرات، روش‌های شیمیایی بهتر از روش‌های چگالش بخار هستند. در روش‌های شیمیایی، اندازة نهایی ذره را می‌توان یا با توقف فرآیند در هنگامی که اندازة مطلوب به دست آمد، یا با انتخاب مواد شیمیایی تشکیل‌دهندة ذرات پایدار؛ و یا توقف رشد در یک اندازة ‌خاص، کنترل نمود. این روش‌ها معمولاً‌ کم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از مواد شیمیایی می‌تواند یک مشکل باشد و می‌تواند یکی از استفاده‌های رایج نانوذرات، یعنی پخت آنها برای ایجاد روکش‌های سطحی، را دچار مشکل نماید.
فرآیند‌های حالت جامد
از روش آسیاب یا پودر کردن می‌توان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثیر نوع مادة آسیاب‌کننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می‌گیرد. از این روش می‌توان برای تولید نانوذراتی از مواد استفاده نمود که در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی‌شوند. آلودگی حاصل از مواد آسیاب‌کننده خود می‌تواند یک مسئله باشد.
پیشرفت‌های روش‌های تولید
هر چه بازار نانوذرات در عرصه فناوری‌های پیشرفته- همچون صنعت کامپیوتر و داروسازی- توسعه می‌یابد، تقاضا برای نانوذرات دارای اندازه و یا شکل تعریف‌شده در مقیاس انبوه و قیمت اندک افزایش می‌یابد. این روند موجب اصلاح مداوم فناوری‌های تولیدی موجود و پیشرفت‌ روش‌های تولیدی نوین می‌گردد.
در دو سال گذشته، محققان شروع به استفاده از سیالات فوق بحرانی (SCFها) به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی کرده‌اند. فرآیندهای ته‌نشینی با سیالات فوق بحرانی باعث تولید ذراتی با توزیع اندازه باریک می‌گردد. گازها در بالای فشار بحرانی (Pc) و دمای بحرانی (Tc) به سیالات فوق بحرانی تبدیل می‌شوند. SCFها واجد خواصی مابین گاز و مایع می‌باشند. عموماً به دلیل شرایط نسبتاً ملایم CO2 (C31ْ bar, Tc=73Pc=) از آنها استفاده می‌شود. ضمن آنکه مشکلاتی همچون گرانی، سمیت، خورندگی و قابلیت انفجار و احتراق را ندارند. یک راه اصلاح فناوری سیال فوق بحرانی مخلوط‌نمودن عوامل فعال سطحی با محلول آبی یک نمک فلزی در CO2 فوق بحرانی است. این فرآیند به تولید میکروامولسیون‌ها منجر می‌شود که در زمرة نانورآکتورهای بالقوه برای سنتز نانوذرات بسیار همگن به شمار می‌روند.
Sumitomo Electric اخیراً یک فرآیند رسوبدهی الکتریکی‌ای را توسعه داده است که طی آن یون‌های فلزی در یک حلال آبی حل شده، سپس به صورت نانوذرات فلزی احیا می‌شوند. این شرکت مدعی است فرآیند او در مقایسه با راهکارهای رسوبدهی شیمیایی بخار بسیار اقتصادی و به‌صرفه است.
روش‌های تولید نوین دیگری نیز گزارش شده‌اند، که بر استفاده از امواج مایکرویو، مافوق صوت، و تقلید از طبیعت استوارند.
به دلیل قابلیت سیستم‌های طبیعی در خلق نانوساختارهای دارای دقت اتمی، فرآیندهای زیستی شایسته امعان نظرند. برخی از باکتری‌ها می‌توانند نانوذرات مغناطیسی یا نقره‌ای را بسازند. از پروتئین‌های باکتریایی برای رشد مگنتیت در آزمایشگاه استفاده شده است. سلول‌های مخمر می‌توانند نانوذرات سولفید کادمیوم را ایجاد کنند. به‌تازگی محققان هندی قارچی را یافته‌اند که می‌تواند نانوذرات طلا را خلق کند. عده‌ای در آمریکا از پروتئین‌های ویروسی برای خلق نانوذرات نقرة دارای شکل‌های جذاب استفاده کرده‌اند. پیوستگی بین راهکارهای تقلیدگرایانه از طبیعت و سنتز شیمیایی با حلقة میانی ماکرومولکول‌هایی همچون درخت‌سان‌ها تکمیل می‌شود. از این مواد برای ساخت نانوذرات آمورف کربنات کلسیم- یک ماده کلیدی در سیستم‌های زیستی- استفاده شده است.
روکش دهی و اصلاح شیمیایی
روکش‌دهی یا اصلاح شیمیایی انواع نانوذرات شیوه‌ای رایج و زمینه‌ای است که نوآوری‌های جدید و ارزشمندی را ارائه می‌دهد.
نانوذرات سیلیکات(سیلیکات‌ها یا اکسید‌های سیلیکون نیز سرامیک هستند) برای به دست آوردن خاصیت آب گریزی بیشتر، باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند؛ مثلاً با یون‌های آمونیوم یا مولکول‌های بزرگ‌تر نظیر سیلسزکیوکسان‌های الیگومریک چندوجهی (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes)، که هم برای روکش‌دهی نانوذرات سیلیکات و هم به عنوان پرکنندة روی خودشان مناسب هستند. POSS حاوی یک هستة معدنی (سیلیکون- اکسیژن) و هشت گروه جانبی مختلف آلی است، که این گروه‌ها نوعاً‌ دارای شعاع 5/1 نانومتر هستند و می‌توانند به آسان‌ترشدن پیوند پلیمرها به یکدیگر کمک کنند و برای پیوند پروتئین آغازگر به زیست‌مواد، نویدبخش باشند. گاهی اوقات POSSها جزء نانوذرات طبقه‌بندی می‌شوند.
فروسیالات، که در اوایل دهة 1960 ساخته شدند، از نانوذراتی مغناطیسی به کوچکی 10 نانومتر استفاده می‌کنند که با یک مادة پایدارکننده همانند گرافیت پوشانده می‌شوند و در حاملی نظیر روغن، آب یا نفت سفید معلق می‌شوند. هر ذره، آهن‌ربای کوچکی است که یک میدان مغناطیسی را به ذرات اعمال و رفتاری غیرمعمولی را در سیال ایجاد می‌کند و اجازة کنترل فشار، ویسکوزیته، هدایت الکتریکی، هدایت گرمایی و ضریب انتقال نور را در سیال می‌دهد. جذب انرژی از محیط به صورت حرارت می‌باشد و لذا این سیالات را می‌توان به عنوان سردساز مورد استفاده قرار داد
بررسی روش‌های تولید نانوپودرها با استفاده از سیالات فوق بحرانی
روش‌های متعددی برای تولید نانوپودرها وجود دارد که هر روش می‌تواند منجر به تهیه نانوپودرهایی با خواص متفاوت شود. اخیراً سیالات فوق بحرانی (SCF) یا گازهای فشرده بعنوان یک محیط مناسب برای کریستالیزاسیون و تولید نانوپودرها پیشنهاد شده‌اند. سیالات فوق بحرانی دارای خواص شبه گازی و شبه مایع می‌باشند که علاوه بر ارزان بودن، اثر آلوده‌کنندگی نیز ندراند و موجب کنترل دقیق فرآیند کریستالیزاسیون شده و توانایی تولید ذرات بسیار ریز با مورفولوژی‌ و توزیع اندازة ذرات مناسب را فراهم می‌آورد. در این مقاله به توضیح فرآیندهای مختلف تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی اعم از انبساط سریع محلول فوق بحرانی (RESS)، آنتی‌حلال فوق بحرانی (SAS)، ذرات حاصل از محلول اشباع گازی (PGSS)، کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده (DELOS) و مقایسه این روشها پرداخته شده است. همچنین توضیح مختصری دربارة پارامترهای مهم و مؤثر بر روی محصول نهایی، مزیت‌های خاص هر روش و برخی داده‌های تجربی آورده شده است.
1- مقدمه
نانوپودرها از مهم‌ترین محصولات فناوری‌نانو با کاربردهای گسترده در صنایع مختلف هستند. از جمله این کاربردها می‌توان به تولید مواد منفجره با پتانسیل بالاتر، رنگ‌ها و روکش‌ها، پلیمرها و بیوپلیمرها، واسطه‌های شیمیایی، چسب‌ها، نانوکامپوزیت‌ها، ساینده‌ها، ابرساناها و غیره اشاره کرد. با توجه به اینکه کاربردهای زیادی برای نانوپودرها در زمینه‌های مختلف وجود دارد، لذا توجه فراوانی روی روش‌های تولید نانوپودرها تمرکز یافته است.
روش‌های رایج برای کاهش اندازه ذرات شامل آسیاب‌کاری، خشک کردن پاششی و تبخیر حلال است؛ هرکدام از این روش‌ها دارای معایبی نظیر تغییر کیفیت به علت اثرات حرارتی یا شیمیایی، توزیع گسترده اندازه ذرات، مصرف زیاد حلال، و مشکلات زدودن حلال می‌باشند. برای مثال فرایند خشک کردن پاششی می‌تواند از لحاظ حرارتی موجب تخریب ترکیبات شود، یا در فرایند آسیاب‌کاری، توزیع گسترده ای از اندازه پودرها حاصل شود و در روش‌های تبخیر حلال/ امولسیون، زدودن حلال‌های باقی‌مانده مشکل باشد. بنابراین ترکیبات خاص مثل مواد منفجره، واسطه‌های شیمیایی، پیگمنت‌ها و رنگ‌ها به دلیل حساس بودن نمی‌توانند در چنین فرایندهایی به کار روند.
اخیراً سیال‌های فوق بحرانی (SCF) یا گازهای فشرده به عنوان یک محیط مناسب برای انجام فرایند تبلور و تولید نانوپودرها پیشنهاد شده‌اند. یک سیال فوق بحرانی ترکیبی است که در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی خود قرار دارد. به عنوان مثال سیال فوق بحرانی مورد استفاده می‌تواند کربن دی‌اکسید باشد که علاوه بر ارزان بودن، اثر آلوده‌کنندگی نیز ندارد و پارامترهای بحرانی آن ( PC= 73. 9 bar , TC= 31. 1˚C) در یک دستگاه صنعتی به سادگی قابل حصول است. استفاده از سیال فوق بحرانی، کنترل دقیق فرایند تبلور و توانایی تولید ذرات بسیار‌ ریز و یکسان (از نظر اندازه) با مورفولوژی‌های مناسب را فراهم می‌آورد. همچنین وجود خواصی نظیر نفوذ شبه گازی آن و امکان حذف کامل آن در انتهای فرایند، باعث جلب توجه زیاد به سمت آن شده است. به طورکلی این سیال‌ها در تکنولوژی‌های تولید نانوپودرها، در سه حالت جسم حل‌شونده، و آنتی‌حلال و کمک حلال مصرف می‌شوند. جدول (1) مقایسه بین روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی و سایر روش‌های موجود را برای تولید نانو و میکروذرات، از نظر اندازه نشان می‌دهد.
2- روش‌های تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی
2-1- انبساط سریع سیال فوق بحرانی (RESS)
جدول1. مقایسه اندازه ذرات حاصل از روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی و سایر روش‌های تولید نانو و میکروذرات
تکنیک اندازه ذره (میکرومتر)
500-1000 150- 500 50-150 10-50 < 10 < 1
Cutting mills Yes Yes No No No No
Crusher Yes No No No No No
Universal and pin mills Yes Yes Yes Yes No No
Hammer mill Yes Yes Yes Yes No No
Mechanical mills with internal classifier No Yes Yes Yes No No
High-compression roller mills and table roller mills No No No Yes Yes No
Jet mills No No No Yes Yes No
Dry-media mills No No No Yes Yes No
Wet-media mills No No No No Yes Yes
Recrystallization from solutions Yes Yes Yes Yes Yes Yes
Spray drying -- -- -- -- Yes Yes
Supercritical fluid Yes Yes Yes Yes Yes Yes
انبساط سریع سیالات فوق بحرانی (RESS) یک تکنیک کریستالیزاسیون است که از خواص یک سیال فوق بحرانی مثل CO2 به عنوان یک حلال برای تسهیل تولید نانوپودر استفاده می‌کند.
مطابق شکل (1) ،
فرایند RESS از طریق وارد کردن CO2 مایع با دما و فشار بالا به منظور دستیابی به سیال فوق بحرانی آغاز می‌شود. سیال فوق‌ بحرانی سپس در اتوکلاو با حل ‌شونده مخلوط می‌شود. در این سیستم، سرعت جریان تا زمانی مهم است که تعادل ترمودینامیکی برقرار نباشد. مرحله بعدی مستلزم کاهش فشار مخلوط از فشار بالا به فشار اتمسفری به وسیله نازل است. این کاهش سریع فشار موجب هسته‌زایی (به وسیله کاهش قدرت انحلال حلال) می‌شود. زمانی که CO2 گازی در شرایط محیط قرار می‌گیرد، مواد حل‌شونده رسوب می‌کنند و در یک مخزن جمع می‌شوند. سپسCO2 از طریق یک دریچه به بیرون از محفظه منتقل، و نهایتاً تصفیه و بازیافت می‌شود. مورفولوژی نانوپودرها و کریستال‌ها هر دو به ساختار ماده و پارامترهای حاکم بر فرایندRESS (دما، افت فشار، هندسه نازل و. . ) وابسته است. از جمله مطالعات انجام شده می‌توان به تولید ریز ذرات پلیمری نظیر پلی‌کاپرولاکتون و پلی‌متیل متاکریلات توسط Lele و Shine، تولید نانوذرات CdS (سولفید کادمیم) توسط Sun، تولید نانوپودرهای سرامیکی از جمله آلومینا و سیلیس اشاره نمود.
فرایند RESS دارای مزایای متعددی است. هرچند این فرایند در فشارهای بالا اتفاق می‌افتد اما دمای مورد نیاز نسبتاً پایین است. مزیت دیگر این فرایند نبود خطرات محیطی است. البته بزرگ‌ترین مزیت آن قابلیت ساخت ذرات بسیارکوچک در مقیاس میکرو و نانو با توزیع اندازه ذرات مناسب و عاری از حلال است. از معایب اصلی فرایند می‌توان به نسبت بالای گاز/ماده به واسطه حلالیت پایین ماده، نیاز به فشار بالا و مشکل جدایش ذرات زیرمیکرون از حجم بزرگی از گاز در مقیاس صنعتی اشاره کرد.
2-2-فرایند آنتی‌حلال فوق بحرانی (SAS)
فرایند آنتی‌ حلال فوق بحرانی از سیستم‌های دوتایی حلال/ آنتی‌حلال برای تولید میکروپودرها و نانوپودرها استفاده می‌کند. در این روش، سیال فوق بحرانی (به طور مثال CO2) به عنوان یک آنتی حلال عمل کرده، باعث متبلور شدن جسم حل‌شونده می‌شود. دو تکنیک اساسی برای این فرایند وجود دارد که در ذیل شرح می‌شوند.

2-2-1-عملیات ناپیوسته
در این تکنیک یک سیال فوق بحرانی، به عنوان آنتی حلال سبب ترسیب جامدات می‌شود. جامدات ابتدا در یک مایع حل می‌شوند و یک سیال برای ترسیب ذرات جامد افزوده می‌شود. افزایش سریع سیال، موجب کاهش ناگهانی دانسیته مایع و انبساط حجمی آن شده، باعث می‌شود که مخلوط مایع به حالت فوق اشباع برسد و ماده حل‌شونده به صورت ذرات میکرو یا نانومتری رسوب کند (شکل2) .

مزیت این تکنیک کنترل اندازه ذرات از طریق سرعت تزریق آنتی حلال، غلظت اولیه مواد در محلول، و دما است. در فرایند ناپیوسته، پروفیل انبساط حجمی مایع تابعی از دما، پروفیل فشار، نوع حلال و آنتی حلال، و قدرت همزن است.
2-2-2-عملیات نیمه پیوسته یا پیوسته
به طور کامل در تکنیک‌های آنتی حلال ناپیوسته، به دلیل حذف شدن فاز مایع تکنیک‌ آنتی حلال پیوسته توسعه داده شده است. در تکنیک‌های آنتی‌ حلال پیوسته مثلاً سیستم‌های استخراج حلال آئروسل (ASES) ، فازهای مایع و فوق بحرانی به طور پیوسته به داخل یک محفظه وارد می‌شوند. قطرات مایع خیلی کوچک، در ابعاد زیر میلی‌متر، با یک مقدار مازاد از سیال فوق بحرانی برخورد می‌کنند.
شکل (3) فرایند آنتی‌حلال پیوسته را نشان می‌دهد. برای تولید قطرات مایع کوچک در نازل، محلول مایع در فشار bar 20 بیشتر از فشار کاری محفظه تبلور پمپ می‌شود. محدوده اندازه ذرات تولید شده از 0. 1 تا 250 میکرون قابل تغییر است. در فرایند آنتی‌ حلال پیوسته، اثر متغیرهای دما، فشار، غلظت محلول تزریقی، طبیعت حلال‌های مایع و سیال فوق بحرانی بر خواص فیزیکی محصول، بررسی و بهینه می‌شود.

از فرایند SAS برای تولید ترکیبات منفجره، کاتالیست‌ها، ابررساناها، پلیمرها، نانواسفرها یا میکرواسفرها، میکروفیبرهای با قطرهای 0.01 µm بیشتر و برخی ترکیبات دارویی استفاده می‌شود. در سال 1988 Schmid توانست ذرات تریامسینولون با قطر 5-10 µm را با استفاده از حلال THF تولید کند . در سال 1992، Krukonis و همکارانش توانستند از فرایند SAS برای تبلور و جداسازی دو ماده منفجره RDX و HMX استفاده کنند .
2-3-تولید ذره از طریق فرایند محلول اشباع گازی (PGSS)
در تولید ذره از طریق فرایند محلول اشباع گازی، از یک سیال فوق بحرانی، به عنوان یک جسم حل‌شونده برای ایجاد تبلور در یک محلول استفاده می‌شود. فرایند PGSS برای ساخت نانوذراتِ با توانایی کنترل توزیع اندازه ذرات به کار برده می‌شود. نیروی محرکه فرایند PGSS، افت ناگهانی دمای محلول تا زیر نقطه ذوب حلال است. با این عمل، محلول از فشار کاری به شرایط اتمسفری تغییر وضعیت می‌دهد، که در نتیجه آن می‌توان اثر ژول ـ تامسون را مشاهده کرد. سرمایش سریع محلول موجب تبلور جسم محلول شده، هسته‌زایی هموژن برای تشکیل ذرات به وجود می‌آید. فرایند PGSS یک فرایند دو مرحله‌ای است در این فرایند، محلولی از ذوب کردن محصول مورد نظر، تحت اثر سیال فوق بحرانی ایجاد می‌شود. این شرایط موجب افزایش حلالیت SCF در محلول مایع حاصل می‌شود، به طوری که یک محلول اشباع گازی به دست می‌آید. در این مرحله محلول به تعادل و یکنواختی می‌رسد و سپس تا شرایط اتمسفر منبسط می‌شود. یک فیلتر در محفظه انبساط، پودرهای تولید شده را جمع‌آوری می‌کند. محصول به دلیل عاری بودن از حلال نیاز به شست‌وشو ندارد و می‌توان SCF را در صورت نیاز برگشت داد.
Rodrigues و همکاران اثرات چشمگیر تغییرات فشار بر روی مورفولوژی ذرات را نشان داده‌اند. در فشارهای بالاتر، 16-18 Mpa مورفولوژی ذرات حاصل به صورت کروی خواهد بود. وقتی فشار به 12-14 Mpa افت می‌کند، مورفولوژی به طور چشمگیری تغییر می‌کند. ذرات حاصل پهن‌تر هستند و برجستگی‌های سطح آنها گسترش می‌یابد. این برجستگی‌ها میخی شکل هستند و در نتیجه افت‌ فشار، تمایل به بزرگ‌تر شدن دارند. این پدیده در تصویر میکروسکوپ الکترونی شکل (4) نشان داده شده است.

شکل5. تصاویر میکروسکوپ الکترونی ذرات کامپوزیتی Theophilline/HPO تشکیل شده توسط فرایند PGSS در a: 18 مگاپاسکال و b: 14 مگاپاسکال
شکل (5) همچنین نشان می‌دهد که کاهش فشار باعث افزایش تجمع و انباشتگی ذرات می‌شود. این اختلاف‌ در مورفولوژی‌ها می‌تواند به واسطه تفاوت در شروع هسته‌زایی باشد. در فشارهای پایین‌تر، هسته‌زایی در فرایند انبساط سریع سیالات فوق بحرانی زودتر شروع می‌شود این امر موجب به وجود آمدن ساختارهایی رشته مانند خواهد شد؛ جهت به دست آوردن ذرات کروی، نیاز به فشارهای بالاتر است. بنابراین هسته‌زایی در فرایند انبساط دیرتر شروع می‌شود. اگرچه تغییر فشار تأثیر قابل توجهی در مورفولوژی ذرات دارد، اما هیچ اثری روی اندازه یا توزیع اندازه ذرات ندارد.
مزیت مهم فرایند PGSS، نیاز آن به فشار پایین‌ت‌ر در مقایسه با RESS، مصرف پایین‌تر گاز به دلیل نسبت‌های کمتر گاز در مایع، و توانایی تشکیل نانوپودرها بدون نیاز به حلال‌ است که هزینه‌های عملیاتی را در دو حالت کاهش می‌دهد: اولاً اینکه نیاز به حلال‌های شیمیایی گران، کاهش می‌یابد؛ ثانیاً به دلیل به کار نگرفتن حلال‌ها، محصول از خلوص بالایی برخوردار است و نیازی به حذف باقی‌مانده حلال نیست. از دیگر مزایای فرایند PGSS، توانایی تشکیل نانوکامپوزیت‌ها یا ذرات انکپسوله شده است. یکی از عیوب فرایند PGSS، نیاز به یک SCF است که بایستی در داخل یک حلال حل شود. عیب دیگر فرایند PGSS در مشکلات مربوط به حل کردن یک SCF، داخل چندین حلال با حلالیت‌های متفاوت SCF است. این عیب در هنگام تولید نانوذرات کامپوزیتی یا تولید ذرات انکپسوله شده مهم خواهد بود.
2-4- کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده (DELOS)
برخلاف هر روش دیگر، روش کاهش فشار محلول آلی مایع منبسط شده، فرایندی است که برای تشکیل نانوپودرها از یک سیال فوق بحرانی به عنوان کمک حلال استفاده می‌کند. فرایند DELOS برای حل‌شونده‌های آلی در حلال‌های آلی و مخصوصاً برای تولید پلیمرها، رنگ‌ها و ذرات دارویی مفید است. نیروی محرکه این فرایند، افت شدید و سریع دما است. این اتفاق وقتی می‌افتد که محلول فشرده شده از فشار عملیاتی تا فشار اتمسفر منبسط شود. به لیل اینکه سیستم قبل از شروع انبساط برای رسیدن به تعادل تلاش می‌کند، لذا افت فشار و دما در سراسر محلول یکنواخت است. این افت سریع دما به علت کاهش ظرفیت اشباع محلول، باعث تبلور ذرات حل شده می‌شود.

شکل6. شماتیک فرایند DELOS
شکل 6 فرایند سه مرحله‌ای ساده DELOS نشان می‌دهد. مرحله اول عبارت از انحلال ماده حل‌شونده در داخل حلال آلی است. انجام این مرحله در درون یک محفظه مقاوم به فشار صورت می‌گیرد. این محفظه برای به دست آوردن دمای عملیاتی مورد نیاز گرم می‌شود. وقتی مرحله اول کامل شد، سیال فوق بحرانی پیش‌گرم شده داخل حلال حل می‌شود تا فشار عملیاتی مورد نیاز حاصل شود. در این حال زمان کافی برای محلول سه جزئی فراهم می‌شود تا به تعادل و دمای کار برسد. بعد از رسیدن به تعادل، محلول در فشار اتمسفری منبسط می‌شود. نیتروژن خالص در داخل محفظه محلول پمپ می‌شود تا فشار عملیاتی را در مدت انبساط حفظ کند. یک فیلتر در بالای محفظه انبساط قرار می‌گیرد تا پودرهای حل‌شده را جمع ‌کند. پودرهای حاصل می‌توانند با استفاده از سیال فوق بحرانی خالص شست‌وشو شوند و حلال‌های مورد استفاده در این فرایند نیز به آسانی جدا و در صورت نیاز برگشت داده شوند
جدول2. مقایسه انواع فرایندهای تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی
DELOS PGSS SAS RESS
کمک حلال حل شونده آنتی حلال حلال نقش سیال فوق بحرانی
دما دما حلالیت فشار نیروی محرکه
- پایین متوسط بالا فشار گاز مصرفی
بالا پایین- متوسط پایین- متوسط بالا فشار
بلی خیر بلی خیر حلال
آسان آسان آسان مشکل جدایش جامد/گاز
مشکل خیر مشکل خیر جدایش حلال/گاز
3 مرحله 2 مرحله 3 مرحله 2 مرحله مدت فرایند
میکرو و نانو میکرو و نانو میکرو و نانو میکرو و نانو اندازه ذره
بلی بلی بلی بلی انکپسولاسیون
زمانی که فرایند تبلور از طریق DELOS به یک افت دمای بزرگ وابسته است، بازده روش می‌تواند از طریق افزایش مقداری از سیال فوق بحرانی مورد استفاده، زیاد شود. با وجود این، مشکل محدودیت در مقدار مورد استفاده از سیال فوق بحرانی وجود دارد. اگر این محدودیت بروز کند، فرایند DELOS امکان‌ناپذیر خواهد بود و در عوض تبلور از طریق فرایند SAS اتفاق می‌افتد. وقتی غلظت سیال فوق بحرانی به غلظت محدودکننده می‌رسد، اندازه ذرات و توزیع اندازه ذرات به حداقل می‌رسد. بنابراین کنترل اندازه ذرات از طریق کنترل غلظت سیال بحرانی امکان‌پذیر است. از طریق این روش ذراتی در مقیاس نانو، میکرو و ماکرو قابل دست‌یابی خواهند بود.
جدول (2) خلاصه‌ای از انواع فرایندهای تولید نانوپودرها بر پایه سیال فوق بحرانی و مقایسه آنها را نشان می‌دهد.
3- نتیجه‌گیری
استفاده از روش‌های نوین جهت تولید ذرات ریز در مقیاس نانو یا میکرو، باعث مرتفع ساختن مشکلات روش‌های قدیمی شده، منجر به توزیع اندازه ذرات کنترل شده می‌شود. همچنین با به کارگیری روش‌های بر پایه سیال فوق بحرانی، خلوص بالایی از بلورهای تشکیل شده و شکل هندسی مطلوب بدست می‌آید
پتانسیل کاربرد نانوذرات مغناطیسی در بافت‌های زنده‏
نانوذرات مغناطیسی برای انتقال دارو درکاربردهای عملی بسیار مورد توجه هستند. این نانوذرات زیست‌سازگار که قابلیت حرکت به سمت یک آهن‌ربا را دارند، به عنوان عوامل‌هایی انتقال دهنده دارو مورد مطالعه هستند. ردیابی سلول‌ها به کمک نانوذرات مغناطیسی قابل رؤیت با MRI، راه جدیدی را برای مشاهده تجربی درمان‌های سلولی ارائه می‌دهد. به هر حال نیاز نیست که همه این ذرات با دوز یکسانی پر شوند. در واقع یافتن نانوذرات مناسب برای کاربردهای خاص می‌تواند پتانسیل‌های این نانوحامل‌ها را آشکار کند.
تا امروز اکسید آهن به دلیل پایداری شیمیایی و تطبیق‌پذیری بیولوژیکی و نیز فرایند تولید نسبتاً ساده نانوذرات مگنتیت (Fe3O4) و ماگمیت، (γ-Fe2O3) پزشکی بیشترین توجه را به خود جلب کرده است.
مخلوط‌هایی از این دو نانوذره را می‌توان از طریق رسوب‌دهی آلکالاین‌ها از نمک‌های یون‌های آهن (Fe2+,Fe3+)، طی یک فرایند تک‌مرحله‌ای سنتز کرد. این فرایند عموماً در یک محلول آبی از ماکرومولکول‌های خاص انجام می‌گیرد. ماکرومولکول‌ها؛ فرایند رشد هسته‌های ذرات مغناطیسی را از طریق ایجاد پوششی که قابلیت کنترل پراکندگی و به هم چسبیدن ذرات را دارد، کنترل می‌کنند. تست‌های عملی نشان می‌دهد که بازیابی ترکیبات اکسید آهن از چنین مخلوط‌هایی به طور طبیعی و منظم امکان پذیر است. ترکیبات بدن انسان از قبیل پروتئین‌ها، فریتین‌ها، هموسیدرین‌ها، ترنسفریتین و هموگلوبین حاوی سه تا چهار گرم آهن هستند.
هنگامی که نانوذرات مغناطیسی درون بدن، شروع به تجزیه شدن می‌کنندآهن‌های قابل حل وارد مخازن آهن موجود در بدن شده و در آنجا میزان آهن را تنظیم می‌کنند. دوز‌های پزشکی برای بدن احتمالاً از چند میلی‌گرم کمتر است، این در حالی است که احتمال بالاتر بودن این دوز از این حد تقریبا محال می‌نماید.
ذرات نانومتری Fe3O4 و γ - Fe2O3 ، در دمای اتاق رفتاری اَبَرپارامغناطیسی از خود نشان می‌دهند. به عبارت دیگر، آنها تحت یک میدان مغناطیسی تا حد زیادی مغناطیده می‌شوند که این مغناطش دائمی نیست و با حذف میدان از بین می‌رود. به کمک این رفتار مغناطیسی نانوذرات اکسید آهن از طریق حمل عوامل‌های درمانی و تحت اعمال یک میدان مغناطیسی می‌توانند توانایی دارورسانی را بدون انحراف مسیر در بدن اصلاح کنند. سوئیچ on/off در این سیستم به معنای بعید بودن احتمال چسبیدن ذرات به یکدیگر در حین فرایند ساخت بوده ویا اینکه این ذرات پس از حذف میدان مغناطیسی به راحتی قابل پراکندگی باشند.
استفاده از نانوذرات مغناطیسی که می‌توانند به دارورسانی کمک کنند، هنوز فاصله زیادی تا مراحل عملی دارد. با این وجود استفاده عملی از ترکیبات Fe2O3- γ /Fe3O4 فقط به استفاده از آنها به عنوان عوامل‌های مورد استفاده در تصویربرداری MRI منحصر می‌شود. این عوامل‌ها با تغییر در آهنگ هم‌جهت شدن پروتون‌های آب با میدان مغناطیسی اعمال شده (این میدان از طریق پالس‌هایی با فرکانس رادیوییRF ایجاد می‌گردند به فرایند تصویر برداری کمک می‌کنند. این عوامل‌ها (ذرات اکسید آهن) بر روی زمان تضعیف عرضی (transverse relaxation time) یا همان فرسایشT2 تأثیر می‌گذارند؛ این امر منجر به ایجاد کنتراست منفی یا نقاط تاریک‌ بر روی تصاویر باردار شده T2- در MRI می‌گردد. آنها همچنین بر روی تضعیف طولی یا فرسایش T1 نیز اثر ضعیفی دارند.
این عوامل‌ اگر ذرات مجزای بزرگ‌تر از 50 نانومتر باشند، به صورت اکسید‌های آهن ابر پارامغناطیس (SPIO) رفتار می‌کنند و اگر دارای قطری کوچک‌تر از 50 نانومتر باشند، ذرات اکسید آهن ابرپارامغناطیس فوق ریز هستند (USPIO) . عوامل‌های SPIO بیشتر در تصویربرداری ارگان‌های وابسته به سیستم‌های رتیکولواندوتلیال استفاده می‌شوند؛ در حالی که عوامل‌های کوچک‌تر (USPIO) به خاطر تمایل به جمع شدن در گره‌های لنفاوی، برای تصویربرداری سیستم‌های لنفاتیکی مناسب هستند. با این وجود می‌توان گفت که ذرات اکسید آهن می‌توانند توانایی تصویربرداری بر پایه MR در سیستم‌های سلولی را توسعه دهند. این کاربرد عملی نوظهور، حوزه کاربرد ابزارهای MRI در تصویربرداری‌های پیشرفته از رفتار‌های سلولی را توسعه می‌دهد.
به عنوان مثال محققان دانشکده داروسازی دانشگاه جونز هاپکینز در بالتی مور، در حال بررسی قوانین موجود در تصویربرداری SPIO با استفاده از سلول‌های دندریتی در محیط بافت‌های بدن هستند. سلول‌های دندریتی بالغ در صورت همراه شدن با آنتی‌ژن یک تومور خاص، می‌توانند در گره‌های لنفاوی عکس العمل حفاظتی ایجاد کنند. به این دلیل این امید است بتوان از آنها به عنوان واکسن سرطان استفاده شوند. تا به امروز آزمایش چنین واکسن‌هایی ناامیدکننده بوده است.
محققان دانشگاه Nijmegen هلند در یک کار گروهی نشان داده‌اند که سلول‌ها لزوماً عامل اصلی سرطان نیستند. تصویربرداری MRI در هشت فرد مبتلاً به نوعی سرطان پوستی (melanoma) به کمک سلول‌های دندریتی نشان‌دار شده با SPIO، مشکلاتی در زمینه روش تزریق اولیه تحت هدایت اولترسونیکی را آشکارساخت. گروه دانشگاهی جونز هاپکینز تصمیم دارند این مشاهدات را تکرار کنند. این فرایند از طریق MR هدایت شده انجام گرفته و با تزریق سلول‌های نشان‌دار شده با SPIO نیز آغاز می‌گردد. آنها از SPIO برای نشان‌دار کردن و ردیابی سلول‌های مغز استخوان سگ و تزریق به داخل بافت قلب استفاده نموده‌اند.
جف بالت، استاد رادیولوژی در جان هاپکینز، می‌گوید: "کسب اطمینان از انتقال صحیح سلول‌ها در همه این درمان‌ها ضروری است، این کار از طریق مشاهده همزمان تزریق هدفمند‌شده در MRI قابل انجام است.
بیشینه‌سازی مغناطش
آیا نانوذرات اکسید آهن بهترین مواد برای ردیابی سلول‌ها درMR هدایت‌شده هستند؟ به عقیده Taeghwan Hyeon، مدیر تحقیقات ملی سرطان و مواد نانوبلوری اکسیدی در دانشگاه ملی سئول کره، پاسخ این سوال منفی است؛ زیرا کنتراست منفی نانوذرات اکسیدی گاهی اوقات به پس‌زمینه که تا حد زیادی به خود زمینه نزدیک است گسترش یافته، منجر به ایجاد بی‌نظمی‌هایی در تصویر پس‌زمینه یا آرتیفکت‌های شکوفه‌ای شکل بزرگی می‌شود که ساختمان‌های آناتومیک مجاور را تحت تأثیر قرار می‌دهد و این مسئله می‌تواند مانعی بزرگ در استفاده از ذرات SPIO در ردیابی سلول‌های بدن یا سلول‌های پیوندی باشد، زیرا در این موارد مکان دقیق و گسترش سلول‌ها در بدن از عوامل مهم محسوب می‌شود. به همین دلیل هنوز در مورد مناسب بودن استفاده از Fe3O4و Fe2O3- γ در دارورسانی هدفمند مغناطیسی تردید‌هایی وجود دارد.
رفتارهای نانوذرات اکسیدی در میدان مغناطیسی خارجی می‌تواند به افزایش موارد استفاده از آنها در تصویربرداری‌ کمک کند؛ اما آیا واقعاً می‌توان با استفاده از این ویژگی آنها را به‌وسیله نیرو‌های مغناطیسی در بدن جابه‌جا کرد ؟ به نظر Jian-pingWang، استاد مرکز میکرومغناطیس دانشگاه مینسوتا، پاسخ این سوال احتمالاً منفی است، زیرا اشباع مغناطیسی و در نتیجه گشتاور مغناطیسی در واحد حجم نانوذرات SPIO بسیار پایین است. (میزان جذب میدان مغناطیسی پایین خواهد بود.)
بی‌شک افزایش اندازه ذرات به جذب بیشتر میدان مغناطیسی خارجی کمک می‌کند؛ اما افزایش بیش از اندازه ذرات SPIO می‌تواند باعث افزایش احتمال انسداد عروقی شود و خروج این ذرات از بدن را تسریع می‌بخشد. ولی در مقابل، ذرات کوچک‌تر، سطح ویژه نسبتاً بیشتری برای جذب دارند و همین امر میزان حامل‌های مغناطیسی لازم برای دوز مشخصی از دارو را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، حامل‌های مغناطیسی احتمالاً راندمان بالاتری در جذب سلولی خواهند داشت، لذا این سؤال مطرح است که چه ماده‌ای در این مسیر مناسب‌تر است ؟یک راه استفاده از نانوذرات فلزات واسطه است مثل آهن خالص، کبالت و یا ترکیبات و آلیاژهای آنها مثل FeCo است؛ این دسته از نانوذرات فلزی در مقایسه با اکسید آهن، تمایل بیشتری به حفظ گشتاور مغناطیسی و جذب میدان مغناطیسی دارند، (به عنوان مثال اشباع مغناطیسی FeCo به طور چشمگیری بالاست. استفاده از جرم مشابهی از این حامل‌ها در مقایسه با حامل‌های دیگر می‌تواند نیروی پیشران قوی‌ای را ایجاد کرده، و باعث بالارفتن راندمان فرایند دارورسانی ‌شود. در عین حال برای داشتن اثری یکسان از یک میدان مغناطیسی مشخص می‌توان از غلظت کمتر یا ذرات کوچک‌تر از این حامل‌ها استفاده نمود. وانگ می‌گوید: "این مواد می‌توانند استفاده از نانوذرات فوق ریز (شاید کوچک‌تر از پنج یا ده‌ نانومتر) را برای رساندن مولکو ل‌های بسیار کوچک یا حتی قسمتی از DNA ممکن سازند".
به هر حال این دسته از مواد مشکلات خاص خود را دارند به عنوان مثال، سنتز پایدار و تک‌سایز بودن این دسته از نانوذرات فلزی (فلزات واسطه که برای استفاده در محیط‌های آبی نیز مناسب هستند)، با توجه به فعالیتشان چندان ساده به نظر نمی‌رسد. نانوذرات این فلزات در دمای اتاق فرومغناطیس هستند، به این معنی که این مواد با یک بار مغناطیده شدن به طور دائمی و حتی بدون حضور میدان، حالت مغناطیسی خود را حفظ می‌کنند و همین امر باعث افزایش احتمال جذب آنها به یکدیگر می‌شود، این در حالی است که اکسیدهای آهن در حالت قبلی ابرپارامغناطیس بودند.
برخی از محققان در حال جستجو برای یافتن پوششی مناسب برای جلوگیری از جذب و یکی شدن ذرات و همچنین حفظ پایداری شیمیایی آنها هستند، در این مسیر فلزات بی‌اثر مثل طلا، نقره، سیلیکا و لیگاندهای کلاهکی پپتید بسیار مورد توجه هستند. محققان انستیتو علوم نانو (INA) و انستیتو مهندسی مواد Aragone (ICMA) دانشگاه زاراگوزای اسپانیا، در حال بررسی کربن به عنوان گزینه احتمالی برای پوشش مورد نظر نانوذرات فلزات واسطه و تهیه نانوذرات Fe@C به روش تخلیه قوس الکتریکی هستند؛ این روش مشابه فرایند مورد استفاده در تولید نانولوله‌های کربنی و فولرین‌هاست. تبخیر همزمان آهن و گرافیت در پلاسمای آرگون منجر به تولید ذرات آهن و اکسید آهن پوشیده از مخلوط کربنی با ابعاد متوسط 200 نانومتر می‌شود (شکل 2) .
تست‌های عملی هماتولوژیکی مقدماتی بر روی نمونه‌های خون انسان و خرگوش‌ها نشان داده که ذرات پوشیده شده با کربن که برای انتقال دارو در شیمی‌درمانی به روش‌های مغناطیسی استفاده می‌شوند، سازگاری زیستی مناسبی با محیط دارند. تخلخل و سطح ویژه بالای این دسته از پوشش‌های معدنی، سرعت جذب سطحی عوامل‌های درمانی را افزایش می‌دهد و تا حد زیادی باعث کاهش سرعت تجزیه سطحی مولکول‌های دارویی می‌شود. این در حالی است که سرعت پر شدن حامل‌های انتقال دارو از مواد دارویی بالاست ولی باید از تخلیه سریع آنها در جریان خون اجتناب شود. به لحاظ نظری می‌توان از کربن برای پوشش‌دهی کبالت نیز استفاده کرد؛ اما محققان در مورد آزمایش این عناصر برای کاربرد‌های عملی نگران هستند، زیرا این مواد بر خلاف آهن چندان در بدن وجود ندارند. به گفته Nina Matoussevitch که در حال فعالیت در زمینه تولید نانوذرات زیست‌‌سازگار Co، Fe وFeCo انستیتو شیمی مرکز تحقیقات کارلسروهه در آلمان؛ سمی بودن عناصری مانند کبالت، یکی از مهم‌ترین مشکلات دانشمندان در این زمینه است. در این مورد نظریات مختلفی وجود دارد که تا امروز نظریه قانع‌کننده‌ای ارائه نشده است.
Nguyen T. K. Thanh، از دانشگاه لیورپول انگلستان، نسبت به استفاده پزشکی از نانوذرات فلزات واسطه پوشش داده شده مطمئن‌تر به نظر می‌رسد. او می‌گوید: "مقادیر اندک کبالت برای سلامت انسان مفید است. به عنوان مثال، این ترکیب در تشکیل ویتأمین B12 لازم است و از آن در درمان بیماری آنمی استفاده می‌شود. به طور کلی ترکیبات کبالت در بدن دفع شده و جمع نمی‌شوند. "به گفته او دلیلی برای سمی بودن نانوذرات کبالت وجود ندارد و برای پی بردن به این مطلب تحقیقات بیشتری نیاز است.
Urs Hafeli، استادیار دانشکده علوم درمان دانشگاه بریتیش کلمبیا در کانادا، با توجه به اهمیت میزان دقیق مصرف می‌گوید: "همان طور که Paracelsuse، در قرن 16 می‌گوید مقدار ماده سمی بودن آن را تعیین می‌کند. هر چند ممکن است ده‌ها یا هزاران میلیون‌ ذره مغناطیسی در دارورسانی هدفمند استفاده شود، ولی وزن واقعی آنها بسیار کم خواهد بود (احتمال زیاد در حد چند ده میلی‌گرم).
دارو رسانی مؤثر
علی رغم نقاط ضعف و قوت نانوذرات اکسید آهن در کاربردهای عملی، SPIO و USPIOها تنها نانوذرات مغناطیسی تأییدشده برای کاربرد‌های پزشکی هستند. محققان در حال بررسی برای یافتن راهی مناسب برای توسعه روشی بهتر در درمان هدایت‌شده مغناطیسی هستند؛ اما ممکن است موانع موجود را نتوان کاملاً حل کرد، به عنوان مثال یکی از راه‌های رفع مشکل ضعف پاسخ مغناطیسی نانوذرات، بیشینه کردن میدان مغناطیسی در نقطه هدف است.
Lbarra garsia و همکارانش، از طریق نشاندن آهن‌رباهای دائمی از صفحات طلا درون اندام مورد نظر کار مشابهی را انجام دادند. این فرایند آنها را به استفاده از این حامل‌های مغناطیسی نانومتری در رساندن عوامل‌های شیمی‌درمانی به تومور‌های درون بدن امیدوار ساخته است. مطالعات اساسی در این زمینه به استفاده از ذرات 20 نانومتری Fe@C و یا 80 نانومتری تا دو میکرومتر Fe2O3- γ / Fe3O4 پوشیده شده از سیلیکا به عنوان عوامل‌های شیمی‌درمانی نظر دارد. نتایج اولیه تحقیقات در بافت‌های بدن موجودات زنده با نانوذرات پوشیده شده با کربن بر روی خرگوش‌های نیوزلندی، نویدبخش آینده روشنی در این زمینه است. آنالیزهای هیستو پاتولوژیکی توانایی رسیدن حامل‌های مغناطیسی به غده‌های درونی کلیه چپ حیوانات مختلف را تأیید می‌کند، این کار به کمک نشاندن یک آهن‌ربا در نزدیکی نقطه مورد نظر انجام می‌گیرد. می‌توان دید که این آهن‌ربا‌ها را پس از خارج شدن از بدن ذرات مغناطیسی پوشانده‌اند، نکته مهم در این زمینه این است که در کلیه راست این حیوانات هیچ ذره‌ای دیده نشده است. (شکل 3)
Garcia Ibarra می‌گوید: "همیشه در آزمایش‌ها مشکلاتی مثل وجود تمرکزی از این نانوذرات در سلول‌های زنده کوپفر کبد، طحال و ریه‌ها هست؛ البته باید توجه داشت که بیشترین محل تمرکز این نانوذرات در جگر است و حا این مسئله به یافتن راهی مناسب برای درمان سرطان است".
مورد دیگر، بهینه‌سازی شکل و قدرت آهن‌ربای خارجی مورد استفاده است که در دانشگاه تگزاس و در مرکز سرطان اندرسون هوستون، با همکاری شرکت NanoBioMagnetics، مورد تحقیق قرار گرفته است. آنها در حال بررسی واکنش‌های مغناطیسی نانوذرات مورد استفاده در درمان سرطان پیشرفته تخمدان - مرحله سه یا چهار که سلولهای بدخیم به صفاق راه پیدا کرده‌اند- و کنترل عملکرد عوامل‌های شیمی‌درمانی به کمک نانوذرات مغناطیسی دارای پوشش سیلیکا تحت اعمال مستقیم یک آهن‌ربای خارجی (میدان مغناطیسی)، هستند. از فواید پیش‌بینی شده این کار، کم بودن میزان آسیب‌رسانی این نوع دارو‌رسانی هدفمند نسبت به داروهای آزاد است. آزمایش‌های اولیه انجام شده بر روی موش با استفاده از آهن‌ربا‌های استوانه ایG 56 و 22 نانومتر، رسیدن ذرات به داخل حفره‌های مورد نظر را تأیید می‌کنند. مطالعات بعدی در این زمینه نشان داده‌ است که نانوذرات مغناطیسی می‌توانند به سمت غده‌های مورد نظر در فضای پرتونئال (pertoneal) هدایت شوند و برخی از آنها اطراف دیواره‌های شکمی جمع می‌شوند. این اثر ناخواسته را می‌توان با تغییر شکل آهن‌ربای استوانه‌ای به هرمی با عرض سه میلی‌متر و قرار دادن آن روی محل غده کاهش داد (شکل4) .
Jim Klostergaard، استاد آنکولوژی مولکولی سلولی درMD Anderson وسرپرست این مطالعات، می‌گوید: ظاهراً اهمیت در طراحی و انتخاب وسیله انتقال بیماری است. در مواردی که هر دو عامل فوق موفقیت‌آمیز نبوده‌اند، احتمال پیشرفت از مقیاس آزمایشگاهی به کاربردهای کلینیکی نظریه بسیار ضعیف به نظر می‌رسد".
طبق گفته‌های کریستین پلانک (Christian Plank) از انستیتو آزمایشگاهی آنکولوژی، دانشگاه فنی مونیخ آلمان، بهینه‌سازی طراحی آهن‌ربا، تنها راه حفظ خاصیت آهن‌ربایی نیست. وی در حال بررسی این موضوع است که میکروحباب‌های پرشده از گاز هم می‌توانند به افزایش پاسخ‌دهی مغناطیسی عوامل‌های دارورسانی مبتنی بر SPID کمک کنند. در اینجا نظر باید گفت که ذرات می‌توانند با هم و بدون انبوه‌شدن یا مسدود کردن رگ‌های خونی در یک نقطه خاص متمرکز شوند. عملاً آنها معتقدند که قطر متغیر میکروحباب‌ها (از دو تا پنج میکرون) می‌تواند در استفاده از آنها تأثیر مثبتی داشته باشد. امروه به منظور بهبود تصاویر اولتراسونیک از میکروحباب‌ها در علوم پزشکی استفاده می‌شوند. رزونانس آنها با امواج اولتراسونیکی می‌تواند تصویر محلی که این حباب‌ها در آن قرار دارند را بهبود دهد. در عین حال آزمایش‌های مختلفی برای بررسی قدرت و توانایی میکروحباب‌ها به عنوان عامل دارورسانی در نقاط مختلف بدن مورد ارزیابی قرار گرفته است. به گفته پلانک، بررسی پاسخ‌دهی مغناطیسی میکروحباب‌ها در دارورسانی کاملاً جدید است. دانشمندان و محققان آلمانی در حال استفاده از نانوذرات200 تا صد نانومتری حاوی مقدار زیادی Fe3O4 هستند؛ این ذرات وارد پوسته‌های لیپیدی از حباب‌های پرشده با C3F8 و یک عامل دارویی می‌شوند (شکل 5) .
پلانک می‌گوید: "شما نیاز به نانوذراتی با تولید سفارشی دارید که با دیگر اجزای حباب‌ها سازگار باشند. برخی از نانوذرات مغناطیسی مورد استفاده می‌کنیم با مواد شوینده پوشیده شده، می‌توانند با پوسته‌های لیپیدی حباب‌ها شوند. "
به عقیده او آزمایش‌ها حاکی از آن است که ثبات مغناطیسی حباب‌ها بسیار بیشتر از ثبات مغناطیسی دوز مشابه از نانوذرات مغناطیسی آزاد است.
تست‌های عملی نیز نشان داده‌اند که پالس‌های اولتراسونیکل 1MHz می‌توانند حباب‌ها را ترکانده، باعث آزاد شدن مولکول‌های دارویی یا مواد ژنتیکی درون آنها شود. برای پی‌بردن به این نکته که ساختار عامل درمانی در اثر اعمال اولتراسونیک برای انتقال دارو، ثابت می‌ماند یا خیر، مطالعات بیشتری بر روی حیوانات لازم است.
پلانک می‌گوید: " نگهداری 100 درصد کامل در سایت‌های هدف ممکن نخواهد بود. هدف ما این است که با داشتن یک سیستم حامل بتوانیم عوامل‌های فعال را دقیقاً به فرم ساختاری آنها در نقطه مورد نظر و در جایی که هم میدان مغناطیسی و هم اولتراسونیک اعمال می‌شود، انتقال ‌دهیم. این مورد ممکن است در انتقال اسیدهای نوکلئوئیک امکان‌پذیر باشد. "
محققان دانشگاه شیکاگو و لابراتوار ملی آرگونا (Argona)، ایلینویز نیز به رهاسازی دارو به روش هدف‌یابی مغناطیسی با استفاده از اولتراسونیک علاقه‌مند هستند؛ اما نگرش آنها با آنچه پلانک و همکارانش انجام داده‌اند، متفاوت است؛ آنها برای آب‌گریز کردن نانوذرات مغناطیسی، آن را با اسیداولئیک پوشش می‌دهند، سپس آنها را به همراه یک عامل درمانی در یک ماتریس پلیمری قرار می‌دهند.
اکسل روزنگارت، استاد جراحی اعصاب دانشگاه شیکاگو، می‌گوید: "ما هم اکنون قادر به ترکیب مقدار زیادی مگنتیت با حامل‌هایی هستیم که مقدار مغناطیده شده آنها از تمام حامل‌های گزارش شده بیشتر است؛ به این معنا که حامل راحت‌تر به سمت هدف مورد نظر حتی بر خلاف جریان خون حرکت می‌کند. "
همانند قبل، استفاده از اولتراسونیک با شدت خاصی که دانه‌های پلیمری را تشدید کند، منجربه شکسته شدن آنها و آزادسازی عوامل‌های درمانی می‌گردد. روزنگارت و همکارانش می‌خواهند از دانه‌های مغناطیسی برای رساندن عامل حل‌کننده لخته‌های خونی "clot-busting" rt-PA، به محل سکته یا حمله درد در بیماری‌های قلبی، استفاده کنند. او توضیح می‌دهد: "تخلخل لخته‌های خونی به خصوص در معرض امواج اولترسونیکی افزایش می‌یابد که این خود سرعت بررسی افزایش می‌دهد؛ بنابراین استفاده از دارورسانی اولتراسونیک بدون انحراف، هداف دارورسانی rt-PA را در آینده افزایش دهد.
یک دوره مطالعه شش‌ماهه بر روی نمونه‌های موش صحرایی به‌منظور عملی شدن طرح تشخیص در نظر گرفته شده است. روزنگارت می‌گوید: " ما از سه سال گذشته بر روی ساخت حامل‌های مغناطیسی تمرکز کرده، فکر می‌کنیم در پیشرفت و ساخت یک نمونه که به خوبی در محیط بدن عمل خواهد کرد، موفق شده‌ایم. همچنین تحقیقات برای بهبود پایداری rt-PA که فعالیتش با اثرات گرمایی اولتراسونیک کاهش نمی‌یابد، ادامه خواهد یافت".
آیا این‌ها برای هدف مورد نظر مناسب است؟
اکنون واضح است که نانوذرات مغناطیسی یک‌اندازه و یک ترکیب، برای همه کاربردهای عملی مناسب نیست. به طوری که یک گزینه مناسب برای جلوگیری از گسترش سلول‌های سرطانی متااستاتیک با استفاده از MRI، حتماً یک عامل مناسب برای شیمی درمانی نیست. به گفته Etienne Duguet، استاد انستیتو Bordeux شیمی مواد چگال فرانسه طراحی عوامل‌های مغناطیسی احتیاج به نگرشی مناسب چندبعدی دارد. در این کار سئوالاتی به ذهن می‌رسد؛ اولین سئوال مربوط به ترکیبات هسته است. آیا رفتارهای مغناطیسی آنها مناسب و کافی است ؟ آیا احتمالاً این مواد در دوز تعیین شده سمی هستند؟ یا پوشش وجود دارد؟ برهم‌کنش ذرات پوشش داده شده با سیالات داخل بدن، بیومولکول‌ها و یا سلول‌ها چگونه است؟ آیا مولکول‌های دارویی می‌توانند در جایی که نیاز است بچسبند و رها شوند؟
Urs Hafeli به طراحان پیشنهاد می‌کند که به جای اینکه ابتدا نانوذرات مغناطیسی هوشمند را سنتز کنند و بعد برای آن استفاده‌های عملی را در نظر بگیرند، از کاربرد شروع کرده، مسیر کاری را وارونه طی کنند. هیچ یک از قسمت‌های فرایند دارورسانی نسبت به بخش‌های دیگر آن مهم‌تر نیست. ما نمی‌توانیم همزمان بیشترین خاصیت مغناطیسی ذرات و بهترین ماتریس رهاسازی دارو و ایجاد ذرات کاملاً تک سایز را با هم داشته باشیم. هر دارو و کاربرد‌های مختلف به خاطر نیازمند بودن به هماهنگی با فضای اطراف خود، به خواص شیمی فیزیکی خاصی نیاز دارند؛ ولی باید اشاره کرد که این فضا هنوز کاملاً شناخته شده نیست.

شکل1. محققان دانشگاه مینسوتا در حال تولید نانو ذرات FeCo با ابعاد و شکل‌های مختلف هستند و نیم نگاهی به تنظیم بقیه خواص برای کاربردهای دیگر آن دارند. این ذرات حساسیت بیشتری نسبت به SPIOها دارند

شکل 2. تصاویر میکروسکپی HRTEM و EFTEM از نانوذرات اکسیدآهن وآهن پوشیده شده با کربن.
(کاری از Ricardo lbarra Garcia از مؤسسه علوم نانوی Aragon، دانشگاه زاراگوزا، اسپانیا)

شکل3. (a ) نتایج آنالیزهای هیستوپاتولوژی در کلیه سمت چپ. می‌توان دید که نانوذرات با میدان مغناطیسی آهن ربای کاشته شده همراستا شده‌اند.
(b) در این تصویر می توان دید که در عمل هیچ نانو ذره‌ای در کلیه راست دیده نمی‌شود (در این کلیه آهن ربای دائمی نداریم).
(کاری از Ricardo lbarra Garcia از مؤسسه علوم نانوی Aragon، دانشگاه زاراگوزا،اسپانیا)

شکل(4) : تصویر MRI از موشی که سلولهای غده‌های درونی تخمدان(HEY) انسان به صورت درمانی به آن تزریق شده است .یک تومور در نزدیکی دیواره های شکمی قرار گرفته است. علاوه بر این، نانوذرات پاسخگو به میدان مغناطیسی نیز به بدن این موش‌ها تزریق شده است و یک آهن ربای دائمی نیز در دو ساعت ابتدایی MRI نزدیک محل تومور قرار گرفته است . در تصویر سمت چپ یک آهن ربای دائمی استوانه‌ای با قطر 22 میلیمتر استفاده شده که در آن محور استوانه در راستای مرکز تومور است. اما در تصویر سمت راست، آهن ربای استوانه‌ای با یک آهن ربای هرمی جایگزین شده که قطر نوک آن در حدود 3 میلیمتر است و در مرکز تومور قرار گرفته است. این آهن ربا (هرمی) انتخاب‌پذیری بیشتری را در حرکت نانوذرات در ناحیه توموردر ناحیه دیواره‌های شکمی از خود نشان می‌دهد
(کاری از Jim Klostergaard و Jam Bank در مرکز سرطان MD Anderson وCharles Seeney وWilliam Yuill در NBMI)

شکل 5. میکرو حباب‌هایی با قطر 10 میکرون، که از نانوذراتی با پوشش ترکیبات صابونی و DNA فلورسنت پرشده‌اند. در سمت چپ، تصویر میکروسکوپ نوری (فلورسنت) و در سمت راست، تصویر میدان روشن دیده می‌شود. .رنگ قهوه‌‌ای در این تصویر، بالا بودن بار نانوذرات مغناطیسی را نشان می دهد. حباب‌ها همچنین حاوی مخلوطی از لیپیدها و یک معرف کاتیونی هستند.
پیشرفت‌های سمیت‌زدایی ترکیبات آلی کلرداربا نانوذرات آهن
رشد روزافزون جمعیت کشورها و فعالیت‌های صنعتی و کشاورزی از یک سو و رعایت نکردن الزامات زیست‌محیطی از سوی دیگر، سبب شده‌است تا در چند دهة اخیر، مقادیر زیادی از آلاینده‌ها مانند هیدروکربن‌های آلی کلردار به‌واسطة عواملی نظیر دفع نامناسب پساب‌ها و ضایعات مراکز صنعتی و شهری، استفادة وسیع از آفت‌کش‌ها، علف‌کش‌ها و. . . ، به منابع آب‌های زیرزمینی وارد و موجب کاهش کیفیت آب شوند [1]. حلال‌های آلی کلردار مثل تتراکلرواتن، تری‌کلرواتن، دی‌کلرواتن و وینیل‌کلراید از جمله رایج‌ترین آلاینده‌ها هستند. ترکیبات آلی کلردار، که بسیار سمی و غیرقابل تجزیة زیستی هستند، جزء شایع‌ترین و متداول‌ترین آلاینده‌های آب‌های زیرزمینی به شمار می‌روند [2]. ترکیبات آلی کلردار ضمن ایجاد اثرات سمی بر دستگاه اعصاب، خاصیت سرطان‌زایی نیز دارند [3].
از اواسط سال 1990، پیشرفت‌های مهمی در تبدیل آلاینده‌های آلی کلردار به محصولات بی‌ضرر نظیر متان، اتان، با استفاده از فلزات ظرفیت صفر مثل قلع، روی، پالادیوم و آهن صورت گرفت که آهن رایج‌ترین این فلزات است. در این فناوری ابتدا از براده‌های آهن و سپس از کلوئیدهای آهن در اندازة میکرونی استفاده شد [4].
مطالعات وسیع در 15 سال اخیر ثابت کرده‌است که آلاینده‌های محیط‌زیست می‌توانند از طریق اکسیداسیون آهن ظرفیت صفر احیا شوند. بازده سمیت‌زدایی، قیمت پایین و بی‌خطر بودن آهن، باعث توسعة یک روش نوین در احیای آلایندهای محیط زیست به ویژه در آب‌های زیرزمینی شده‌است [4].
عموماً واکنش بین ترکیبات آلی کلردار (CxHyClz) و آهن در محلول آبی به‌صورت زیر بیان می‌شود.
(1)
که در آن آهن به عنوان عامل کاهنده در حذف کلر رفتار می‌کند. این واکنش مشابه فرایند خوردگی آهن است که در تغییر شکل آلاینده‌های کلردار مفید است [5].

شکل (1) تصویر TEM نانوذرات آهن [9]
فناوری استفاده از نانوذرات آهن در احیای آلاینده‌های کلردار حرکت جدیدی است که نسبت به روش‌های قبلی بسیار اقتصادی‌تر و کارامدتر است. زمانی که اندازة ذرات آهن به مقیاس نانو کاهش می‌یابد تعداد اتم‌هایی که می‌توانند در واکنش درگیر شوند افزایش، و در نتیجه سرعت واکنش‌پذیری بیشتر می‌شود. این امر موجب می‌شود که نانوذرات آهن قدرت انتخاب‌پذیری بیشتری نسبت به براده‌های آهن داشته باشند [6].
اگر چه استفاده از نانوذرات آهن به جای میکرو و یا براده‌های آهن در احیای آلاینده‌ها بسیار مؤثر بود و حتی در این فناوری موفق به احیای پرکلرات‌ها شدند که با روش‌های قبلی امکان‌پذیر نبود، ولی مشاهده شده‌است که در بعضی موارد، محصولات واکنش به مراتب سمی‌تر از ماده اولیه هستند. به عنوان مثال از احیای تری‌کلرواتیلن می‌تواند وینیل‌کلراید تشکیل شود که بسیار سمی است [7 و2].
درمسیر توسعة فناوری‌نانوذرات آهن در اصلاح آب و خاک، گروه ژنگ (zhang) نانوذرات دوفلزی آهن- پالادیوم را در سال 1996 سنتز کردند. پس از آن در روش‌های مشابهی از فلزات کاتالیزوری دیگر مثل پلاتین، نقره، نیکل، کبالت و مس برای تهیه نانوذرات دو فلزی با آهن استفاده شد. بررسی نانوذرات دوفلزی نشان می‌دهد که سرعت و بازده سمیت‌زدایی این ذرات بیشتر از آهن است. حضور یک عامل کاتالیزوری باعث می‌شود که سرعت واکنش هالوژن‌زدایی بیشتر و از تشکیل محصولات جانبی سمی جلوگیری شود [8].
روش آزمایشگاهی
سنتز نانوذرات آهن از ابتکاراتی است که اولین بار در سال 1996 توسط ژنگ انجام شد. در این روش، آهن فریک به‌وسیله بوروهیدراید سدیم طبق واکنش زیر احیا می‌شود [9]:
(2)
برای تهیه نانوذرات دوفلزی آهن- پالادیوم، نانوذرات آهن تازه‌تهیه‌شده به محلولی از اتانول و استات پالادیوم اضافه می‌شوند. این امر طبق واکنش زیر منجر به ته‌نشینی پالادیوم بر سطح آهن می‌شود:
(3)
در این روش از آهن به عنوان فلز پایه و از از پالادیوم به عنوان فلز کاتالیزگر استفاده می‌شود. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری نانوذرات آهنی که به این روش سنتز شدند، نشان می‌دهند که بیشتر از 90 درصد ذرات، قطری در حدود یک تا صد نانومتر دارند [9].
سازوکار نانوذرات آهن
بررسی واکنش‌های احیای نانوذرات آهن در محلول‌های آبی نشان می‌دهد که آهن فلزی، یون فرو و هیدروژن گازی احیاکننده‌های اصلی در محیط هستند. احیای آلاینده‌ها در سطح آهن می‌تواند از طریق انتقال الکترونی و یا تشکیل هیدروژن انجام شود [10].
بررسی سازوکار نانوذرات دوفلزی Ni-Fe نشان می‌دهد که همزمان با قرارگیری ذرات دوفلزی Ni-Fe در یک محلول آبی، یک پیل گالوانی تشکیل می‌شود که Fe به فلز کاتالیزور الکترون می‌دهد و Ni به‌وسیلة آهن، حفاظت کاتدی می‌شود. زمانی که آهن اکسید می‌شود، با آب تشکیل هیدروکسید و یا اکسید آهن می‌دهد و پروتون‌ها روی سطح Ni به اتم‌های هیدروژن و مولکول هیدروژن تبدیل می‌شوند [2]. براساس این سازوکار، واکنش هالوژن‌زدایی از طریق هیدروژن جذب‌شده بر روی کاتالیزور Ni-Fe به‌سرعت انجام می‌شود [8‍].
(4)
(5)

ترکیب هالوژن‌دار روی سطح ذرات Ni-Fe جذب و پیوند C-Cl شکسته می‌شود. سپس، اتم کلر جایگزین هیدروژن می‌گردد (شکل 2) [2].
شکل (2) تصویری از سازوکار واکنش هالوژن زدایی یک ترکیب آلی کلردار با نانوذرات Ni-Fe ] 2[
با توجه به مطالب فوق، سازوکار نانوذرات دوفلزی در واکنش‌های هالوژن‌زدایی موجب تشکیل هیدروژن می‌شود. در حالی‌که ذرات تک‌فلزی و همچنین مخلوط فیزیکی دوفلز عملکرد متفاوتی دارند. این موضوع از طریق اندازه‌گیری میزان هیدروژن تولیدشده در آب به‌وسیلة نانوذرات آهن، نانوذرات نیکل، نانوذرات دوفلزی Ni-Fe و مخلوط فیزیکی نانوذرات آهن و نانوذرات نیکل ثابت شده‌است.
شکل (3) مقایسة مقدار هیدروژن تولیدشده از واکنش نانوذرات دوفلزی، تک‌فلزی و مخلوط آن‌ها با آب. مربع مربوط به نانوذرات آهن، دایره‌ مربوط به نانوذرات نیکل، لوزی‌، مخلوط فیزیکی نانوذرات آهن و نانوذرات نیکل و مثلث مربوط به نانوذرات Ni-Fe است [2].

مطابق شکل (3) میزان هیدروژنی که نانوذرات دوفلزی Ni-Fe تولید می‌کند، بیشتر از بقیة ذرات است و این می‌تواند به‌دلیل تماس الکترونی بین دو فلز آهن و نیکل باشد [2].

شکل (4) میزان گاز هیدروژن (molμ) که به‌وسیلة نانوذرات Ni-Fe در آب و در یک دورة زمانی طولانی تولید شده‌است [2] شکل (4) نشان می‌دهد که سرعت تشکیل هیدروژن در ابتدای واکنش به‌شدت افزایش یافته و با گذشت زمان، سطح آهن غیرفعال و سرعت واکنش کند می‌شود [2].
محصولی که در ابتدا از کلرزدایی تری‌کلرو‌اتیلن به‌وسیلة نانوذرات Ni-Fe به دست می‌آید، شامل اتیلن و بوتن است که با پیشرفت واکنش، آلکان‌های زنجیره‌ای و شاخه‌دار (C1-C8) علاوه بر اولفین‌ها تشکیل می‌شوند. پس از یک دورة زمانی طولانی، آلکن‌ها به طور کامل احیا می‌شوند و آلکان‌هایی با تعداد کربن زوج، مثل بوتان، هگزان و اکتان تولید می‌کنند. محصولات دارای کربن زیادتر به‌علت شکستن پیوند C-C به‌وسیلة کاتالیزور Ni تشکیل می‌شوند [2].
نتیجه‌گیری
مطالعات انجام‌شده بر روی هالوژن‌زدایی ترکیبات آلی کلردار به‌وسیلة آهن، نشان می‌دهد که مرحله تعیین کننده سرعت، مرحلة انتقال الکترون به مولکول جذب سطحی شده‌است. این سازوکار بیان می‌کند که سرعت احیای دی‌کلرو‌اتیلن و وینیل‌کلراید که پذیرنده الکترون ضعیف‌تری نسبت به تری‌کلرو‌اتیلن هستند، کندتر است. در بررسی تأثیر آهن در احیای تری‌کلرو‌اتیلن مشاهده شده‌است که بعضی از محصولات واکنش احیا، مثل وینیل‌کلراید، می‌توانند به مراتب سمی‌تر از ترکیبات اولیه‌شان باشند. همان‌طورکه قبلاً بیان شد، واکنش هالوژن‌زدایی آلاینده‌های آلی کلردار با نانوذرات دوفلزی از طریق احیای هیدروژن صورت می‌گیرد. بنابراین، سرعت واکنش احیا به‌وسیله نانوذرات دوفلزی، به مراتب بیشتر از واکنش احیا از طریق انتقال الکترونی است. افزایش سرعت واکنش آلاینده‌ها، از تشکیل محصولات فرعی سمی جلوگیری می‌کند. همچنین با استفاده از نانوذرات آهن می‌توان برخی از آلاینده‌های بسیار مقاوم مثل پرکلرات را تجزیه کرد.
این روش به‌راحتی در شرایط محیطی قابل استفاده است و نیاز به فراهم نمودن شرایط خاصی مثل دمای بالا وجود ندارد.
نانوساختارهای اکسید روی
اکسید روی عضوی از خانواده ورتزیت و یکی از غنی‌ترین نانوساختارها می‌باشد. اکسیدروی سه مزیت عمده دارد: اول اینکه نمیه‌رسانایی با شکاف باند ev3.37 و انرژی تحریک زیاد (60mev) می‌باشد و همچنین نشر نزدیک به ماوراء بنفش دارد. دوم پیزوالکتریک است که در حسگرها و کاهنده‌ها بسیار کاربرد دارد. و در نهایت اکسید روی زیست‌سازگار و ایمن می‌باشد و می‌تواند در کاربردهای پزشکی به‌راحتی و بدون روکش به کار رود. با این خصوصیات ویژه اکسید روی می‌تواند زمینه‌های تحقیقاتی گوناگونی را در آینده ایجاد کند
ذرات اکسید روی خواصی مانند نیمه رسانایی، پیزوالکتریک و پیروالکتریک از خود نشان می‌دهند. این خواص بی‌نظیر باعث می‌شود که ذرات اکسید روی یکی از غنی‌ترین مواد نانوساختاری باشند. با استفاده از روش تصعید حرارتی فاز جامد- بخار، تحت شرایط ویژه،‌ می‌توان نانوشانه‌ها، نانوحلقه‌ها، نانوفنرها،‌ نانوتسمه‌ها، نانوسیم‌ها و نانوقفسه‌هایی از اکسید روی ایجاد کرد. این نانوساختارها به دلیل داشتن خاصیت زیست سازگاری می‌توانند کاربردهای جدیدی در الکترونیک‌نوری، حسگرها،‌ ترانسفورماتورها و پزشکی داشته باشند.
هنگامی که در سال 2001 نانوتسمه‌های نیمه‌رسانا کشف شدند‌ تحقیقات بر روی نانوساختارهایی که حداقل دارای یک بعد نانومتری می‌باشند به سرعت توسعه پیدا کرد، زیرا این مواد کاربردهای وسیع و جدیدی در اپتیک، الکترونیک نوری،‌ کاتالیزورها و پیزوالکترویک دارند. نانوتسمه‌های اکسیدی نیمه‌رسانا گروه بی‌نظیری از مواد با ترکیب شیمیایی و ساختارهای بلوری جالب می‌باشند.
نانوتسمه‌ها از اکسیدهای نیمه‌رسانای روی، قلع، کادمیم و گالیم و با استفاده از تبخیر پودرهای تجاری اکسید این فلزات در دمای بالا حاصل می‌شوند. این نانوتسمه‌ها خالص، یک شکل و دارای بلورهای منفرد می‌باشند. ساختار هندسی ویژه این شبه‌تسمه‌ها باعث ایجاد بلورهای اکسیدی نیمه‌رسانا با کاتیون‌هایی با ظرفیت متفاوت و خواص جالب درآنها می‌شود.
ترانزیستورهای اثر میدانی، حسگرهای نانومقیاس بسیار حساس گازها و نانوحامل‌های ساخته شده از نانوتسمه‌های منفرد، نمونه‌ای از آنها می‌باشند. انتقال حرارتی نیز در طول نانوتسمه‌ها اندازه‌گیری شده است. به علت خاصیت پیزوالکتریکی نانوحلقه‌ها، نانوتسمه‌ها و نانوفنرهای سنتزی اخیر می‌توان از آنها در کاهنده‌ها، افزاینده‌ها و حسگرهای نانومقیاس استفاده کرد.
در بین اکسیدهای کارکردی (Functional)، پروسکیت، دوتیل، فلوئورید‌کلسیم و ورتزیت، اکسید روی تنها ماده‌ای است که هر دو ویژگی پیزوالکتریکی و نیمه‌رسانایی را از خود نشان می‌دهد. این ماده ساختارهای گوناگونی دارد که بسیار غنی‌تر از انواع نانومواد شناخته شده مانند نانولوله‌های کربنی می‌باشند. با استفاده از روش تصعید حرارتی حالت جامد و با کنترل سرعت رشد، دمای رشد موضعی و ترکیب شیمیایی مواد می‌توان دستة وسیعی از نانوساختارهای اکسیدروی را سنتز کرد.
نانوحلزون‌ها، نانوفنرها و نانوحلقه‌های یکپارچه و بدون درز
‌اکسیدروی، نیترید‌گالیم، نیترید‌آلومینیم، سولفید‌روی و سلنید‌کادمیم، چند عضو مهم از خانواده ورتزیت می‌باشند که در ساخت مواد پیزوالکتریک، الکترونیک نوری و لیزر اهمیت و کاربرد فراوان دارند.
دو ویژگی مهم این خانواده تقارن غیرمرکزی و سطوح قطبی آنها می‌باشد. به عنوان مثال اکسید روی ترکیبی است که به خوبی می‌تواند طرز قرارگرفتن کاتیون‌های Zn2+ را در کنار آنیون‌های O2- در یک ترکیب چهار وجهی نشان دهد. این یون‌ها طوری قرار گرفته‌اند که بار مثبت در سطح Zn-(0001) و بار منفی در سطح O-(000ī) قرار گرفته است. در نتیجه یک دو قطبی در طول محور مرکزی به وجود می‌آید و باعث ایجاد اختلاف سطح انرژی بین سطوح می‌شود.
با کنار هم قراردادن مواد اولیه و با در نظر گرفتن بعضی ناخالصی‌ها مانند ایندیم می‌توان نانوحلقه‌های اکسید روی را سنتز کرد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به طور کاملاً واضح شکل حلقه‌ها را با سطوح یکسان نشان می‌دهد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی‌ تونل‌زنی(TEM) نیز نشان می‌دهد که نانوحلقه‌ها به صورت تک‌بلوری و دایره‌ای هستند. این ساختارهای تک‌بلوری به معنی تشکیل نانوحلقه‌های کامل از روبان تک‌بلوری می‌باشد. نانوحلقه نتیجه حلقه‌ای‌شدن هم‌بافت و هم‌محور نانوتسمه‌ها می‌باشد.
رشد ساختارهای نانوحلقه‌ای را می‌توان با در نظر گرفتن سطوح قطبی نانوتسمه‌های ‌اکسید روی درک کرد. نانوتسمة قطبی که سازندة نانوحلقه‌ها است در طول ‍[1010] و روی سطح ‍[1210]± و در بالا / پایین سطوح ‍[0001]+ رشد می‌کند که پهنای 15 نانومتر و ضخامت 10 نانومتر دارند. نانوتسمه‌ها در بالا و پایین سطوح خود بارهای قطبی دارند. اگر بارهای سطحی در طول رشد خنثی نشوند، نانوتسمه برای کم کردن بار سطحی به درون خودش پیچ می‌خورد. یک روش ممکن، قراردادن سطح Zn-(0001) با بار مثبت برروی سطحO-(000ī) با بار منفی می‌باشد، در نتیجه بارهای قطبی موضعی خنثی و باعث کاهش بارهای سطحی می‌شوند و از روی هم‌قرارگرفتن انتهای این نانوتسمه‌ها یک حلقه تشکیل می‌شود. شعاع حلقه ممکن است در نتیجة بسته شدن اولیه نانوتسمه تعیین شود، اما اندازه حلقه جهت کاهش انرژی تغییر شکل الاستیک نمی‌تواند خیلی کوچک باشد. انرژی نهایی وابسته به عواملی مانند بارهای قطبی، وسعت سطحی و انرژی تغییر شکل الاستیک می‌باشد. طول زیاد بر همکنش الکترواستاتیک، نیروی اولیة پیشران برای بسته شدن نانوتسمه است که در نتیجه اولین دایره تشکیل می‌شود.
نانوتسمه در طول رشد می‌تواند به خاطر برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک به صورت یک نوار برروی یک نانوحلقه کشیده شود، تا بارهای قطبی موضعی را خنثی کرده، ناحیه سطحی را کاهش دهد. در نتیجه ساختارهای نانوحلقه‌ای هم‌محور، چنددایره‌ای و هم‌مرکز تشکیل‌می‌شود. خودآرایی فرآیندی خود به خودی است که یک نوار به دور خود می‌پیچد و یک نانوتسمه رشد می‌کند. کاهش ناحیه سطحی و تشکیل پیوندهای شیمیایی (نیروهای نزدیک) بین دایره‌ها،‌ ساختارهای دوار پایدار را ایجاد می‌کند. پهنای نانوحلقه، با حلقه‌ شدن بیشتر دایره‌ها حول محور نانوحلقه و قرار گرفتن هم جهت آنها در جهت محور نانوحلقه افزایش می‌یابد.

شکل 1- مدل رشد متناسب نانوحلقه
زمانی که رشد در محدودة دمایی ˚C 400-200 انجام شود، با اتصال دایره‌هایی از نانوتسمه به وسیلة پیوندهای شیمیایی به همدیگر ساختارهای نانوحلقه‌ای استوانه‌ای تک‌بلوری تشکیل می‌شود. قرارگرفتن حلقه‌ها کنار همدیگر از نظر انرژی کاملاً مساعد است زیرا بارهای قطبی درون حلقه‌ها کاملاً خنثی می‌شوند. این مدل رشد در شکل (1) نشان داده شده است.
نانوتسمه‌های دارای بار سطحی (شکل 2) می‌توانند به صورت دو صفحة موازی به عنوان خازن به کار روند.

شکل 2- مدل نانوتسمه قطبی
یک نانوتسمة قطبی تمایل دارد جهت کاهش انرژی الکترواستاتیک به صورت رول درآید. شکل حلزونی یا مارپیچ نیز می‌تواند انرژی الکترواستاتیک را کاهش دهد (شکل 3).
اگر بار سطحی در طول رشد خنثی نشود، قطبش خود به خودی، که نتیجه ممان دوقطبی است، انرژی الکترواستاتیک را کاهش می‌دهد، اما تشکیل رول یا حلقة بسته می‌تواند ممان دو قطبی را کاهش دهد یا‌ آن‌را کاملاً خنثی کند، در نتیجه انرژی الکترواستاتیک کاهش می‌یابد.
از طرف دیگر خم‌کردن نانوتسمه انرژی الاستیک ایجاد می‌کند. اگر نانوتسمه‌ها به صورت دایره به دایره رول شوند، نیروی دافعه بین سطوح قطبی در تمام طول نانوفنر ادامه دارد،‌ در حالی‌که نیروی تغییر شکل الاستیک، دایره‌ها را به سمت همدیگر می‌کشد. نانوحلزون‌ها متحدالشکل و با شعاع 500 تا 800 نانومتر هستند و از نانوتسمه تک‌بلوری اکسید روی ساخته شده‌اند
نانوفنرها و نانوحلقه‌های تک‌بلوری ساخته شده از نانوتسمه‌ای ‌اکسیدروی، ساختارهای القایی خود به خودی قطبی دارند، که نتیجة چرخش 90 درجه در قطبیت می‌باشد. این گونه ساختارها ایده‌آل‌ترین حالت برای درک پیزوالکتریکی و پدیدة القای قطبیت در مقیاس نانو می‌باشند. ساختارهای نانوتسمه‌ای پیزوالکترویک می‌توانند در حسگرها، ترانسفورماتورها و تشدیدکننده‌های دارای نانومقیاس به‌کار روند.
نانوملخ‌های مرتب
تغییر ترکیب مواد اولیه به طور مؤثری شکل نانوساختارهای اکسید روی را تغییر می‌دهد. در این جا از مخلوطی از پودرهای ‌اکسیدروی و اکسید‌قلع با نسبت وزنی 1:1 به عنوان مواد اولیه برای رشد نانوساختارهای پیچیده اکسید‌روی استفاده شده است. شکل (4) تصویر مواد سنتز شده را نشان می‌دهد که شامل مجموعه‌ای از نانوسیم‌های هم‌محور می‌باشد که توسط نانوساختارهای با شکل بچه وزغ احاطه شده‌اند. رشته‌ها به شکل(liana) هستند در حالی‌که نانوسیم‌ها به شکل nattan (چوب‌خیزران) می‌باشند

شکل 3- تولید نانومارپیچ از نانوتسمه قطبی
این نانوسیم‌ها پیوندهای عرضی (جانبی) با ابعاد چند ده نانومتر دارند. در نوک شاخه‌های شبه‌وزغ، توپ‌های کروی قرار دارند و شاخه‌ها به شکل یک نوار (روبان) می‌باشند. نوارهای حاصله تقریباً ضخیم و دارای سطح زبر می‌باشند. دومین رشد بر روی سطوح نانو ملخی باعث رشد نانوسیم‌های مرتب می‌شود. اکسید‌قلع در دمای بالا به ‌قلع و اکسیژن تجزیه می‌شود بنابر این نانوسیم‌ها و نانونوارها از فرآیند رشد بخار- مایع- جامد (VLS) حاصل می‌شوند، که ذرات کاتالیزوری‌ قلع به عنوان آغازگر و هدایت‌کنندة رشد نانوسیم‌ها و نانونوارها عمل می‌کنند. رشد ساختارهای جدید می‌تواند طی دو مرحله انجام شود، مرحلة اول شامل رشد محوری نانوسیم‌های اکسید روی حول ‍[0001] می‌باشد. سرعت رشد بسیار بالاست، که افزایش خیلی کمی در اندازة قطرات قلع دارد که تأثیر بسیارکوچکی بر اندازة نانوسیم می‌گذارد

شکل 4- آرایه‌های ملخی از اکسید روی
بنابراین محور نانوسیم تقریباً شکل یکنواخت در جهت محور رشد دارد. مرحله دوم هسته‌زایی و رشد هم‌بافت یک نانوروبان است که نتیجة رسیدن قطرات قلع بر روی سطح نانوسیم اکسید‌روی می‌باشد. این مرحله خیلی کندتر از مرحله اول است، زیرا طول نانوروبان کوتاه‌تر از نانوسیم است.
هنگامی که قلع به حالت مایع و دمای محیط در حد دمای رشد باشد تمایل دارد که ذرات قلع را جذب و ذرات با اندازة بزرگ‌تر تشکیل دهد

شکل 5- رشد آرایه‌های ملخی از اکسید روی
بنابراین پهنای نانوروبان افزایش می‌یابد و اندازة ذرات قلع روی نوک آن بزرگ‌تر می‌شوند، درنتیجه ساختارهای شبه وزغ حاصل در زیر دستگاه TEM مشاهده می‌شوند (شکل 5)
الگوی رشد نانوسیم‌های مرتب
الگوی رشد مرتب نانوساختارهای یک بعدی برای کاربرد در حسگرها، الکترونیک نوری و نشر میدانی دارای اهمیت و کاربرد می‌باشد. رشد مرتب نانومیله‌های ‌اکسید‌روی، روی بستر جامد با فرآیند VLS و با استفاده از قلع و طلا به عنوان آغازگر و هدایت کنندة واکنش با موفقیت انجام شده است. جهت‌گیری هم‌بافت (epitaxial) نانومیله‌ها و بستر باعث رشد هم‌راستا می‌شود. در روش‌های دیگر به جای استفاده از کاتالیزور، از رشد هم‌بافت فاز بخار ترکیبات آلی – فلزی، رشد مبتنی بر قالب و مرتب کردن تحت میدان الکتریکی،‌ برای رشد هم‌راستا عمودی نانومیله‌های ‌اکسید‌روی استفاده می شود.
Huang و همکارانش روشی را شرح داده‌اند که در آن با استفاده از کاتالیزور و نانولوله‌های کربنی نانومیله‌های هم‌راستا تولید می‌شوند. در این روش نانومیله‌های هم‌راستا با استفاده از خودآرایی کره‌های زیرمیکرونی و ماسک حاصل می‌شوند. در روشی دیگر نیز با ادغام روش ماسک مبتنی بر خودآرایی و روش هم‌بافت سطحی آرایه‌های شش وجهی با محدوده بزرگ، نانومیله‌های هم‌راستای ‌اکسید‌روی به دست می‌آید.

شکل 6- تصویر SEM از نانوسیم‌های متخلخل اکسید روی که بر روی سیلیکون با پوشش قلع رشد کرده‌اند
سنتز شامل سه مرحله مهم است: آرایه‌های نانومیله‌ای شش وجهی منتظم ‌اکسید‌‌روی بر روی سابستریت تک‌بلوری اکسید‌آلومینیم که ذرات طلا به عنوان کاتالیزور در آن پخش شده‌اند رشد می‌کنند. ابتدا‌ تک‌لایه‌های خودآرا، مرتب، دوبعدی و با مقیاس بزرگ از کره‌های پلی‌استایرن با اندازة زیرمیکرون حاصل شدند که به بستر اکسید‌آلومینیم تک بلوری متصل شدند. دوم یک لایه نازک از ذرات طلا بر روی تک لایه‌های خودآرا رسوب داده شده‌اند، سپس کره‌ها با روش حکاکی (eatch) کردن از آرایه‌های کاتالیزوری طلا جدا می‌شوند. سرانجام نانوسیم‌ها با استفاده از روش VLC رشد می‌کنند. شکل 5 نحوة توزیع ذرات کاتالیزور، الگوی نانوسیم را مشخص می‌کند. این مرحله می‌تواند با استفاده از فناوری‌های متعدد ماسک جهت تولید ساختارهای پیچیده به کار رود.
نانوسیم‌های تک‌بلوری متخلخل
مواد حفره‌ای به علت دارا بودن نسبت سطح به حجم بسیار زیاد، کاربردهای فراوانی در کاتالیزورها، مهندسی محیط ‌زیست و حسگرها دارند. به طور نرمال، بیشتر این ساختارهای متخلخل از ترکیب مواد آمورف و حفره‌ای به وسیلة واکنش آلی و معدنی مبتنی بر حلال به دست می‌آیند.
در اینجا ساختارهای نانوسیمی اکسیدروی ورتزیت جدیدی گزارش شده‌اند که دارای ساختار تک‌بلوری ولی با دیواره‌ها و حجم‌های متخلخل می‌باشند. سنتز آنها مبتنی بر فرآیند جامد- بخار است. شکل (6) یک تصویر SEM از نانوسیم‌های اکسید‌روی سنتز شده بر روی بستری از سیلیسیم را نشان می‌دهد که با لایه‌ای نازک از کاتالیزور قلع پوشش داده شده است. طول انوسیم‌ها از100 میکرومتر تا 1 میلی‌متر و شعاع آنها 50 تا 500 نانومتر می‌باشد.
درحین واکنش، سولفات‌روی تشکیل شده روی بستر سیلیسیم فقط جزئی از سطح را می‌پوشاند زیرا شبکه آن هماهنگ با اکسید روی نمی‌باشد. در نتیجه رسوب‌دهی فاز بخار اکسید روی ساختارهای متخلخل را تشکیل می‌دهد. تخلخل بالا و تک‌بلوری بودن این ساختارها، پتانسیل بالای آنها را در فیلتراسیون،‌ نگهدارنده‌های کاتالیزورها و حسگرهای گازها نشان می‌دهد.
نانوتسمه‌های بسیار باریک ‌اکسید روی
برای درک پدیده‌ها و اثرات کوانتومی، نانوتسمه‌هایی با اندازة بسیار کوچک مورد نیاز است. اخیراً با استفاده از کاتالیزورهای جدید و با روش VLS نانوتسمه‌های بسیار ریز به دست آمده‌اند. در این روش‌ها برای رشد بلورها به جای استفاده از نانوذرات به عنوان کاتالیزور از لایه نازک (nm 10) و یکنواخت قلع استفاده شده است که این لایه نازک بر روی بستر سیلیسیم پوشش داده شده است.
در این روش نانوتسمه‌هایی نازک، باریک و متحدالشکل از اکسیدروی به دست آمدند که میانگین اندازة نانوتسمه‌ها nm 5.5 می‌باشد و نتایج بسیار خوبی را نشان می‌دهد.
قفسه‌‌های چند وجهی
در این کار نیز قفسه‌‌های اکسید روی با خلوص و بازده بالا سنتز شدند،‌ این قفس‌های کروی،‌ چندوجهی و باساختار متخلخل می‌باشند که از خودآرایی نانوبلورهای اکسیدروی حاصل شده‌اند.
این ساختارها با روش جدید خودآرایی نانوساختارها به دست می‌آیند. این روش شامل انجماد قطرات مایع روی، اکسیداسیون سطحی و تصعید می‌باشد. این قفسه‌‌ها می‌توانند جهت دارورسانی به کار روند.
نتیجه‌گیری
اکسید روی عضوی از خانواده ورتزیت و یکی از غنی‌ترین نانوساختارها می‌باشد. اکسیدروی سه مزیت عمده دارد: اول اینکه نمیه‌رسانایی با شکاف باند ev3.37 و انرژی تحریک زیاد (60mev) می‌باشد و همچنین نشر نزدیک به ماوراء بنفش دارد. دوم پیزوالکتریک است که در حسگرها و کاهنده‌ها بسیار کاربرد دارد. و در نهایت اکسید روی زیست‌سازگار و ایمن می‌باشد و می‌تواند در کاربردهای پزشکی به‌راحتی و بدون روکش به کار رود. با این خصوصیات ویژه اکسید روی می‌تواند زمینه‌های تحقیقاتی گوناگونی را در آینده ایجاد کند
منابع :
http://nano.ir/
http://daneshnameh.roshd.ir/ -
www.sharghian.com /الف