مقالات نانوفناوری پزشکی

هر آنچه که باید درباره سایش لیزری بدانید

سایش لیزری(Laser ablation) روشی برای تولید انواع مختلفی از نانوذرات همچون  نقاط کوانتومی نیمه رسانا، نانولوله های کربنی، نانوسیم ها و نانوذراتی با پوسته اصلی است.  در این روش نانوذرات با هسته زایی(nucleation) و رشد گونه های تبخیر شده با لیزر، در گازِ پس زمینه تولید می شوند. بخاری که به سرعت خنک می شود در تولید نانوذراتی که در محدوده اندازه های کوانتومی، خلوص بسیار بالایی دارند مزایای زیادی برای محققان فراهم آورده است. در این مقاله سعی می کنیم به اختصار تولید نانوذرات به کمک روش سایش لیزری را با هم مرور کنیم. پس همراه نانومدین باشید.

همه ما خیلی خوب می دانیم که نانوذرات خواص بی نظیر و منحصر به فردی دارند که در عناصر توده ای به هیچ عنوان یافت نمی شود. اصلی ترین مشخصه نانوذرات  این است که مشخصات آن ها به اندازه و توزیع اندازه ذرات بستگی دارد. به عنوان مثال نانوذرات سیلیکونی  در طیف مرئی و دمای اتاق photoluminescent ( نورتابناک)هستند و طول موج نور ساطع شده را می توان به کمک اندازه ذرات کنترل کرد.

ذرات تیتانیومی که اندازه شان در حد نانوست هم به عنوان بلوک سازنده دستگاه های فتوولتاییک  و کاربردهای فوتوکاتالیزی مورد استفاده قرار گرفته اند. خاصیت فوتوشیمیایی نانوذرات تیتانیوم  به اندازه ذرات و نیز ساختار کریستالی شان مرتبط است. انواع مختلفی از نانوذرات هستند که به هنگام تغییر در اندازه شان خاصیت منحصر به فرد و البته خاصی را از خود نشان می دهند. نکته مهمی که باید بدان توجه داشته باشید این است که مشخصات ویژه و خاص نانوذرات به شدت تحت تاثیر  اندازه و توزیع اندازه این ذرات خواهد بود.  در طول این سال ها روش های متعددی برای تولید نانوذرات  توسعه یافته است. برخی از این روش های سنتز نانوذرات از بالا به پایین و برخی از پایین به بالا هستند.

در رویکرد پایین به بالا در فاز مایع و فاز بخار روش های مختلفی همچون روش سل ژل و کاهش شیمیایی و سنتز رسوب بخار شیمیایی و فیزیکی دیده می شود.هر کدام از روش های تولید و سنتز نانوذرات مزایا و معایب خاص خودشان را دارند. به عنوان مثال روش های فاز مایع  مقرون به صرفه ترند و برای سنتز انواع مختلفی از نانوذرات با ساختارهای کنترل شده در مقیاس ازمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرند. در مقابل، فرآیندهای فاز بخار در سنتز نانوذرات با خلوص بالا پیشرو هستند و از  راکتور جریان مستمر استفاده می کنند.  هم در فرآیند پایین به بالای گازی و هم مایع، نانوذرات جامد  از هسته زایی گونه های فوق اشباعی حاصل می شوند که  توسط واکنش های پیش ماده و/یا تبخیر جامدات آماده شده اند.

روش سایش لیزری روشی است که در آن از لیزر به عنوان منبع انرژی برای سایش مواد هدف جامد استفاده می شود. در این فرآیند، انرژی بسیار بالایی بر روی یک نقطه خاص از سطح جامد متمرکز می شود تا بتواند عناصر جذب کننده نور را تبخیر سازد. واژه سایش یا همان ablation، به برداشتن اتم های سطحی اطلاق می شود و نه تنها در برگیرنده فرآیند تک فوتونی است بلکه شامل تحریک و تهییج چند فوتون هم می شود.

به کمک روش سایش لیزری می توان به نانوذراتی که خلوص بسیار بالایی دارند دست پیدا کرد. این موضوع بدین خاطر است که خلوص  ذرات اساسا توسط خلوص هدف و رسانه محیط ( گاز یا مایع) تعیین می گردد.  با اینحال کنترل کردن توزیع اندازه، انباشتگی و ساختار کریستال در فرآیند سایش لیزری معمولی بسیار دشوار است چون در این شرایط نانوذرات به کمک مولکول هایی که حرکت تصادفی دارند ایجاد می شود.   به همین خاطر است که در سال های اخیر چندین تکنیک پیشرفته دیگر برای سایش لیزری تولید و توسعه یافته است که به محققان کمک می کند نانوذراتی با شکل و اندازه کنترل شده داشته باشند.

 سنتز نانوذرات به کمک سایش لیزری:

شکل زیر یک شکل شماتیک  است که سنتر و تولید نانوذرات  به کمک روش سایش لیزری را به تصویر می کشد.  اجازه دهید این فرآیند را با جزییات بیشتری مورد بررسی قرار دهیم.

سایش لیزری

وقتی اشعه و پرتو لیزر بر روی سطحی از  ماده هدف جامد در رسانه گاز یا مایع متمرکز می شود، دمای نقطه تحریک شده به سرعت افزایش می یابد. همین امر موجب می شود ماده هدف شروع به تبخیر شدن کند. تصادم و برخورد بین گونه های تبخیر شده( اتم ها و کلاسترها) و مولکول های اطراف  به تحریک و تهییج وضعیت الکترون های جفت شده با نشر نور و تولید الکترون و یون می انجامد و باعث تشکیل شعله پلاسمایی تحریک شده با لیزر می شود.

ساختار پلاسمای تولید شده( اندازه شعله ، طیف نشر آن) به ماده هدف، رسانه مایع یا گازی، فشار رسانه، شرایط لیزر بستگی دارد. به طور کلی سایش لیزری در گاز پس زمینه با فشار اندک برای ایجاد شعله بزرگ تر ، بهتر کار می کند و می تواند ذرات کوچک تری تولید نماید. این در حالیست که روش سایش لیزری در رسانه مایع برای محبوس کردن شعله پلاسما در یک ناحیه کوچک استفاده می شود تا به طور مستقیم نانوذرات را در فاز مایع پخش و توزیع نماید.

در هر دو صورت، محیط واسط باید با دقت بالایی انتخاب شود چون ذرات تولید شده توسط لیزر به راحتی با مولکول های اطراف واکنش می دهند و می توانند کمپلکس هایی همچون اکسیدها و سایر گونه های غیر مطلوب را تولید نمایند. انعقاد و لخته شدن، فرآیند بحرانی دیگری است که باید در مراحل بعدی  تشکیل نانوذرات کنترل شود. از آنجایی که ذرات تولید شده توسط لیزر سطح بسیار تمیزی دارند ذرات تجمع یافته در نقطه تماس، پیوند شیمیایی با هم برقرار می کنند که می تواند به طور قابل ملاحظه ای خواص ذرات اولیه را به خطر اندازد. فرآیند گاز با فشار اندک نه تنها برای کاهش اندازه ذرات اولیه بلکه برای پیشگیری از لختگی و انعقاد مفید است.

بیشتر بدانید: انواع نانوذرات که باید بشناسید

 لیزر:

برای تشکیل نانوذرات با اندازه و ساختار مناسب و دلخواه، انتخاب سیستم لیزری  مناسب یکی از مهم ترین تصمیم های اتخاذ شده توسط محققان خواهد بود.  نرخ تبخیر ماده هدف  توسط پارامترهای لیزر( منبع لیزر، طول موج،عرض پالس و فرکانس آن)، بهره وری و کارایی جذب نور توسط ماده هدف و شرایط محیط واسط  تعیین می شود.

 برای سایش لیزری چه فاکتورهایی باید مدنظر قرار گیرد؟

موفقیت و بهره وری فرآیند سایش لیزری به فاکتورهای مختلفی بستگی دارد. از جمله این فاکتورها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

 طول موج:

 

طول موج باید با عمق جذب حداقل و با دقت انتخاب شود.

 طول دوره پالس:

بهتر است از طول دوره پالس کوتاه تری استفاده شود تا اسیب حرارتی که بر روی سطوح اطراف وارد می شود به حداقل برسد. البته این موضوع به خاطر ماهیت خود  فرآیند سایش لیزری به شدت کاهش پیدا می کند.

کیفیت پرتو لیزر:

برای اینکه فرآیند سایش لیزری با موفقیت انجام شود به پرتوهای با کیفیتی نیاز دارید. کیفیت این پرتوها بر اساس روشنایی آن ها، توانایی تمرکزشان و یک جور بودنشان تعیین می شود.  اگر نمی خواهید فضای بزرگی را بسایید، باید از پرتوهای کنترل شده ای بهره ببرید.

سایش لیزری پالسی در مایع یکی از روش هایی است که برای تولید سریع و اسان نانوذرات خالص مورد استفاده قرار می گیرد. طیف وسیعی از  نانوذرات نیمه رسانا و فلزی وجود دارد که با موفقیت توسط این روش تهیه شده اند.از جمله موادی که توسط روش سایش لیزری تهیه و سنتز شده اند می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • نقاط کوانتومی نیمه رسانا
  • نانوذرات فلزی و نانوذرات اکسیدی
  • نانوکربن ها و نانوسیم ها

منبع: synthesis of nanoparticles  By Laser ablation

 

برچسب ها

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن
بستن