سنتز نانوکریستال‌ها با روشی ساده در دانشگاه فردوسی مشهد

‎ پژوهشگران دانشگاه فردوسی مشهد در پژوهش‌های اخیر خود موفق به سنتز نانوکریستال‌های سوپرپارامغناطیس اکسید منگنز (Mn₃O₄) در حمام فراصوت با شدت بسیار پایین و در شرایط ملایم بدون اضافه کردن افزودنی‌های شیمیایی شدند.

این نانوکریستال‌ها کاربردهای متنوعی دارند که از جمله آن می‌توان به استفاده در زدایش و تخریت آلاینده‌های سمی NO_x، تصفیه آب و اکسیداسیون متان به منظور تبدیل گاز به مایع و نقش کاتالیزوری آنها در صنایع تولید سوخت‌های گازوئیل اشاره کرد. کاربردهای گسترده این مواد باعث شده است که تحقیقات گسترده‌ای در زمینه سنتز آنها انجام شود.

سنتز این نانوماده با روش‌های معمول نیازمند افزودنی‌های شیمیایی ویا فرآیندهای فشار و دمای بالا است که مستلزم صرف زمان و انرژی بسیار بالایی هستند. همچنین افزودنی‌های شیمیایی مورد استفاده، به علت سمی بودن، در برخی موارد مضراتی دارند.

طاهره روحانی بسطامی دانشجوی دکتری شیمی با همکاری دکتر محمد حسن انتظاری از دانشگاه فردوسی مشهد با مطالعاتی که برای سنتز نانوکریستال‌های سوپرپارامغناطیس Mn₃O₄ داشتند؛ موفق به سنتز این نانوکریستال‌ها در حمام فراصوتی با شدت بسیار پایین، در شرایط بسیار ملایم در pH=8 و بدون افزودنی شیمیایی شدند.

خانم روحانی در مصاحبه‌ای که با سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو داشت، در این باره گفت: «در این تحقیق از دو روش تابش دهی فراصوت (حمام فراصوت) و روش کلاسیکی همزن مغناطیسی نانوکریستال‌های سوپرپارامغناطیس Mn₃O₄ استفاده شد. نتایج نشان داده است که در حالت کلاسیکی هیچگونه نانومیله‌ای تشکیل نشده و اندازه میانگین نانوذرات ۵/۲ نانومتر است. اما در حضور تابش فراصوت ترکیبی از نانومیله و نانوذره تشکیل شده است. در این حالت نانوذرات دارای ابعاد میانگین ۱۰ نانومتر و نانومیله‌ها دارای قطر ۱۲ نانومتر و طول ۱۰۰ الی ۹۰۰ نانومتر هستند. اندازه‌گیری‌های مغناطیسی نشان داده‌اند که نانوکریستال حاصل از تابش دهی فراصوت، خاصیت سوپرپارامغناطیس دارد.»

او در رابطه با مراحل انجام این پروژه تحقیقاتی افزود: «با انجام مطالعات ابتدایی بر روی سنتز نانوکریستال‌های سوپرپارامغناطیس Mn₃O₄، به این نتیجه رسیدیم که در اکثر موارد افزودنی‌های شیمیایی، مراحل طولانی مدت و زمان‌بر و همچنین دماها و فشارهای بالا مورد نیاز است. بنابراین به دنبال روشی بودیم که مشکلات موجود را برطرف نماید. با توجه به آشنایی که نسبت به تأثیر تابش فراصوت بر روی مواد آلی و همچنین تأثیر این تابش در تجزیه مولکول‌های آب و تولید رادیکال‌های فعال داشتیم، نمک اولیه استات منگنز جهت تهیه این نانوذره انتخاب گردید. در مرحله سنتز بعد از حل نمودن این نمک در محلول آبی، محیط واکنش تا pH=8 قلیایی گردید. سپس محلول در معرض تابش امواج فراصوت با شدت بسیار پایین به مدت ۳ ساعت در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد قرار گرفت. نمونه حاصله با آب یون‌زدایی شسته شد.»

نمونه به‌دست آمده با استفاده از آنالیزهای HRTEM، EDS و SQUID که در انستیتو بیوتکنولوژی و فناوری نانو (AIBN) در دانشگاه کویینزلند استرالیا با همکاری دکتر Muxina Conarrova و پروفسور Qiao انجام گرفت؛ مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین ارزیابی نمونه به‌دست آمده از این آزمایشات با آنالیز TEM با همکاری مهندس پسیان در دانشگاه فردوسی مشهد تکمیل‌ شد.

محقق این طرح در رابطه با ویژگی‌های این سنتز گفت: «ویژگی‌های نوآورانه در این تحقیق شامل استفاده از حمام فراصوت به عنوان یک منبع با انرژی پایین، عدم استفاده از افزودنی‌های شیمیایی، شرایط دمایی ملایم، تهیه نانوذرات در شرایط محیطی و تهیه نانومیله در شرایط بسیار ملایم در حضور تابش فراصوت بدون نیاز به مواد فعال سطحی، عوامل شکل دهنده ساختاری و یا شرایط حاد است.»

این طرح تحقیقاتی با توجه به مزایایی که دارد از پتانسیل مناسبی برای تجاری شدن برخوردار است. روحانی نیز در پایان سخنان خود با اشاره به این موضوع اظهار داشت: «به طور حتم این کار توانمندی تجاری شدن دارد به ویژه اینکه تهیه این ماده نیاز چندانی به سیستم‌های پیچیده ندارد و شرایط تهیه این ماده بسیار ملایم است. همچنین از آنجا که تهیه این ماده نیازمند مصرف انرژی و مواد اولیه هزینه بر نیست از دیدگاه اقتصادی و زیست‌محیطی روش مقرون به صرفه‌ای خواهد بود. از طرفی نیاز به تولید داخلی این کاتالیزورها در کشور احساس می‌شود و ضرورت حمایت از چنین پژوهش‌هایی جهت تجاری‌سازی احساس می‌شود.»

این پروژه تحقیقاتی که در ادامه رساله دکتری طاهره روحانی صورت گرفته است در حال پیگیری است و تا کنون ۳ مقاله از این پروژه به عنوان مقاله ISI ثبت شده است. در همین راستا نیز یک طرح تحقیقاتی به صورت نیمه‌صنعتی با همکاری دکتر محمدحسن انتظاری در حال پیگیری است.

نتایج این تحقیقات در مجله Ultrasonics Sonochemistry (شماره ۳، جلد ۱۹، می‌سال ۲۰۱۲) منتشر شده است. علاقمندان می‌توانند متن مقاله را در صفحات ۵۶۰ الی ۵۶۹ همین شماره مشاهده نمایند. ‎