روش جدید ساخت نانولوله‌های ترکیبی

دانشمندان موفق به ارائه یک روش جدید مبتنی بر اثر kirkendall شده‌اند که با استفاده از این واکنش حالت جامد، نانوسیم‌های هسته لایه ZnO-Al2O3 به نانولوله‌های تک بلوری ZnAl2O4 درمی‌آیند.

دانشمندان موفق به ارائه یک روش جدید مبتنی بر “اثر kirkendall” شده‌اند که با استفاده از این واکنش حالت جامد، نانوسیم‌های هسته لایه ZnO-Al₂O₃ به نانولوله‌های تک بلوری ZnAl₂O₄ درمی‌آیند.
تاکنون راهکارهای بسیاری، مانند تهیه یک صفحه مسطح از یک ماده و سپس لوله‌ای کردن آن، استفاده از حفره‌ها به عنوان قالب و پوشش‌گذاری بر دیواره‌ این حفره‌ها و یا خالی کردن درون یک نانوسیم برای تولید نانولوله‌های کربنی ارائه شده است. زمانی که نیاز به تهیه نانولوله از سه عنصر متفاوت باشیم، تمامی این روش‌ها دارای محدودیت‌های خاص خود هستند. لوله‌ای کردن صفحات، استفاده از الگو (برای مثال حفره‌های آلومینا) دارای محصول نانولوله‌ای با بازده کم و یا کیفیت نامطلوب خواهند بود.
در مقاله‌ای که در مجله آن‌لاین Nature materials تحت عنوان ” The Kirkendall effect Nanocrystalline spinel nanotube fabrication based an” به چاپ رسیده است، گروه تحقیقاتی Zacharias در مؤسسه فیزیک میکروساختارهای ماکس پلانک آلمان، روش جدیدی برای تهیه ساختارهای نانولوله‌های کربنی سه‌ عنصری با به کار بردن اسپنیل ZnAl₂O₄ ارائه کرده است.
این محققان از نانوسیم‌های هسته- لایه ZnO-Al₂O₃ استفاده کردند. ابتدا نانوسیم‌های تک‌بلوری ZnO با قطر ۱۰ تا ۳۰ نانومتر و طول ۲۰ میکرومتر سنتز کردند و در ادامه روی این نانوسیم پوششی از جنس آلومینا به ضخامت۱۰ نانومتر به روش رسوب‌گذاری لایه اتمی (ALD) قرار دادند. دقت و ظرافت در بکارگیری روش ALD یکی از مهمترین قسمت‌های کار است، زیرا این دقت در نهایت منجر به رسوب‌گذاری یک لایه یک دست و صاف با ضخامت مشخص از آلومینا روی ZnO می‌گردد. گرم و سرد کردن ناگهانی این محصول باعث انجام یک واکنش بین هسته و دیواره شده و این دو به هم جوش خورده و یک ساختار واحد از جنس ZnAl₂0₃ به وجود می‌آید. مطابق اثر Kirkendall میزان حرکت و انتشار هسته (ZnO) به سمت بیرون یعنی به سمت دیواره بیشتر از میزان حرکت و انتشار دیواره (Al₂0₃) به سمت درون یعنی هسته است.
این روش ۳ برتری نسبت به سایر روش‌ها دارد:
۱- عدم نیاز به الگوی متخلخل مانند آلومینای آندی یا مواد لایه‌لایه که در نهایت می‌توان بدون هیچ مشکلی نانوساختارهای سه بعدی ایجاد کرد که پیچیدگی زیادی خواهند داشت.
۲- طول این نانولوله‌ها نسبت به نانولوله‌های به دست آمده از سایر روش‌ها بلندتر است.
۳- این روش قابل تعمیم به اشل صنعتی بوده و با استفاده از آن می‌توان مقادیر عمده‌ای از نانولوله‌ها را تهیه کرد.
البته باید امکان به کارگیری این روش برای مواد و سیستم‌های دیگر که خواصی متفاوت از ZnO و آلومینا دارند بررسی شود. به منظور تهیه نانولوله‌ها ابتدا باید از توانایی تشکیل هسته نانوسیم که دارای توان نفوذ کم باشد مطمئن شد. برای مثال برای تهیه نانولوله‌ای از جنس WSi2، استفاده از نانوسیم Si مطلوب‌تر است و در مورد Ni₂Si، Ni انتخاب بهتری است. البته این انتخاب همیشه کار ساده‌ای نیست.
اثر Kirkendall، به عنوان یک پدیده کلاسیک در متالورژی، همیشه برای توضیح فرایند تشکل نانوبلورهای توخالی مورد استفاده قرار می‌گیرد که اولین بار توسط گروه Alivisatos تحت مقاله‌ای با عنوان”Formation of Hallow Nanocrystals Through The Nanoscale Kirkendall effect” ارائه شد.