اولین اختراع در مورد الکتروریسی در سال ۱۹۳۴ و برای ساخت رشته های پلیمری ثبت شده است . مدت ها است که ساختار نانویی یک بعدی مورد تحقیق و آزمایش قرار گرفته اند . این ساختار ها خواص منحصربه فردی دارند و در زمینه های بسیاری استفاده می شوند . روش های بسیاری برای تولید این ساختار ها به شکل های مختلف از جمله سیم ، تسمه ، میله ، لوله ، مارپیچ و حلقه ارائه شده اند که در این میان روش الکتروریسی ساده ترین و اقتصادی ترین راه است .

تکنیک ساخت از روش الکترو ریسی :

محلول پلیمری از درون یک لوله موئین عبور داده می شود . بین سر لوله و هدف مورد نظر ولتاژ بالایی برقرار می شود . هنگامی که میدان الکتریکی بر نیروی کشش سطحی غلبه کرد ، محلول پلیمری به شکل جت در آمده و به سمت هدف با شتاب حرکت می کند . در طی حرکت محلول پلیمری تا رسیدن به هدف ، با کمک هوا حلال آن تبخیر شده و بر روی هدف پلیمر غیر بافته شده ایجاد می شود . برای ایجاد ساختار با جهت گیری ترجیحی و یا لوله از یک درام چرخشی به عنوان هدف استفاده می شود .

تعدادی از پلیمر هایی که برای ساخت داربست های غیر بافته شده رشته ای شکل در مهندسی بافت استفاده می شوند . عبارتند از :
پلیمر های طبیعی : کلاژن و رشته فیبرینوژن
پلیمر های مصنوعی : پلیگلیکولیک اسید ، پلی لاکتیک اسید – کو – گولیکولیک اسید ، پلی کاپرولاکتون و پلی پپتید های مصنوعی

کارکرد روش الکتروریسی :

چینش ساختاری الکتروریسی ساده است اما مکانیسم فرآیند پیچیدگی های فراوانی دارد .در واقع در طی فرآیند ، سه دسته مختلف از علوم سیالات ، الکترونیک و مکانیک با یکدیگر وارد تعامل می شوند . تا قبل از سال ۱۹۹۳ ، شکل گیری الیاف بسیار نازک با جدایی جت های باردار بدلیل دافعه بار ها بر سطح توجیه می شوند اما آزمایشات اخیر ثابت می کنند که نازک شدن الیاف به دلیل ناپایداری خمشی جت های باردار است.
بر پایه مشاهدات تجربی و تئوری های هیدرودینامیکی ، گروه های بسیاری مدل های ریاضی مختلفی برای مدل سازی فرآیند ارائه داده اند . ناپایداری خمشی عمدتا به دلیل بر هم کنش الکترواستاتیک میان میدان الکتریکی خارجی و بارهای سطحی است . تولید الیاف با ضخامت مناسب نیز تنها با کشش و سرعت بخشیدن به جریان در ناحیه نا پایدار ممکن می شود .

تجهیزات الکتروریسی و مکانیسم فرآیند :


تجهیزات مورد نیاز الکتروریسی بسیار ساده می باشند این تجهیزات عبارتند از :

• منبع تغذیه فشار قوی
• پمپ
• ریسنده
• جمع کننده

مهمترین پارامتر های موثر بر قطر و ساختار نانو الیاف تهیه شده با استفاده از این روش :

• ولتاژ اعمالی
• فاصله ریسندگی
• بررسی سیستم حلال
• غلظت محلول ریسندگی
• گرانروی محلول پلیمری


 اصطلاح چینش فرآیند الکترو استاتیک :

برای جهت دهی به الیاف می توان از جمع کننده استوانه ای شکل استفاده کرد که در حال پیچش الیاف را جمع آوری می کند . برای غلبه به نرخ تولید کم میتوان از چندین سرنگ استفاده کرد .در این حالت باید میدان را قوی کرد تا از کافی بودن نیروی الکتریکی بر هر ریسنده مطمئن شد . همچنین می توان در جا با اتصال چند ظرف حاوی محلول به یک ریسنده با سرعت های مختلف از هرکدام جت واحدی را فرآیند کرد . با ترکیب روش الکتروریسی و میکروسیالات می توان عامل داروسازی الیاف را در جا با فرآیند لیف انجام داد از ریسنده دو محوره نیز ساختن الیاف هسته پوسته دار و یا لوله ای را ممکن می کند .

مزایای روش الکتروریسی :

• در مقایسه با کشش به روش مکانیکی ، الکتروریسی برای تولید الیاف نانو مناسب تر است زیرا عامل کشش به علت استفاده از نیروی الکترواستاتیکی پایاست و اتصالی به الیاف وجود ندارد .
• همگونی ضخامت ، طولانی بودن نسبی الیاف و توخالی یا تو پر بودن الیاف از جمله مزایای ویژه تولید این روش است .

ساختار نانو مواد به روش های فیزیکی :


پیش درآمد :
در تولید مواد نانو ساختار ، استفاده از روش های دیگر دارد .

ساختار نانو مواد به روش های فیزیکی

ساختار نانو مواد به روش های فیزیکی

به طور کلی می توان این فرآیند ها را در چهار گروه : سنتز فیزیکی بخار (pvs) ، سنتز شیمیایی بخار (cvs) ، آئروسل و فرآوری در بستر شعله دسته بندی کرد .

سنتز شیمیایی بخار :

فرآیند سنتز شیمیایی بخار یکی از متداول ترین روش ها برای تولید نانو ذرات سرامیکی بخصوص سرامیک های اکسیدی است . در این فرآیند ترکیبات فلزی تبخیر شده و در اثر واکنش در محیط گاز نانو ذرات تولید می شود . روش بسیار مشابه رسوب دهی شیمیایی بخار (pvd) است با این تفاوت که در (cvd) جوانه زنی به صورت غیر همگن به روی یک سطح با زیر لایه انجام می شود .ولی در (cvs)جوانه زنی به صورت همگن در فاز گاز صورت می گیرد .

نشست شیمیایی بخار (cvd) (Chemical Vapor Deposition)

در نشست شیمیایی بخار (cvd) پیش ماده ها تبخیر شده و وارد راکتور (cvd) می شوند . در این راکتور مولکول های پیش ماده جذب سطحی بهتری می شوند . معمولا در دمای بیشتر در محدوده خاصی تنظیم می شود .

از نظر ترمودینامیکی روش نشست شیمیایی در غالب سیستم ها به دمای بالا و فشار های پایین نیاز دارد . تحت چنین شرایطی انرژی آزاد گیبس سیستم شیمیایی به سرعت به کمترین مقدار خود میرسد . و در نتیجه محصولات جامدی تشکیل می شود .

فرآیند نشست شیمیایی بخار (cvd) شامل سه مرحله است :
• انتقال واکنش دهنده به سطح بستر از طریق یک لایه مرزی با استفاده از فرآیند نفوذ .
• انجام شدن واکنش های شیمیایی بر روی سطح بستر و ترکیب شدن محصولات جدید با مواد رشد یافته قبلی در نتیجه شکل فاز جامد.
• حذف محصولات گازی فرآیند از روی بستر .

 سنتز شیمیایی بخار (cvs) (Chemical Vapor Synthesis):


طراحی فرآیند (cvs) را می توان به صورت زیر توضیح داد :
• تبخیر شیمیایی فلزی مانند : هالید ها ، هیدرید ها و ترکیبات آلی فلزی به روش حرارت دهی مستقیم انجام می شود .
• انتقال بخار ترکیب فلزی به یک کوره داغ توسط گاز های خنثی انجام می شود . در این منطقه ترکیبات فلزی تجزیه می شوند و یون های فعال بوجود می آیند . بدیهی است نوع یون ها به ترکیب ماده اولیه بستگی دارد .
• با دمش گاز فعال ، واکنش بین اجزاء در فاز گاز انجام می گردد و توسط مکانیزم جوانه زنی همگن ، خوشه های اتمی ریز تشکیل می شوند .
• خوشه های اتمی ریز در فاز گاز به هم برخورد و رشد می کنند .
• نانو ذرات تولید شده در اثر پدیده ترموفورز بر یک سطح سرد جمع آوری و با فیلتر کردن خارج می شوند .

از آنجا که فرآیند (cvs) معمولا در فشار کمتر از جو انجام می شود ، بنابر این این محصولات به روشی از مجموعه خارج می شوند تا فشار درون محفظه ثابت بماند . بدیهی است در صورتی که ترکیبات کلر در گاز وجود داشته باشند ، ملاحظات ویژه برای جلوگیری از خوردگی تجهیزات و آلودگی زیست محیطی و آسیب های زیستی ضروری است . در صورتی که محصول واکنش هیدروژن باشد ، سوزاندن گاز خروجی راه بسیار متداول است .
از مراحل بالا می توان چنین استنباط کرد که فرآیند (cvs) نسبت به (pvs) دارای مراحل اضافی شامل : تجزیه حرارتی ترکیبات فلزی و واکنش شیمیایی غیر همگن در فاز گاز است . اگر چه شرایط تولید در این فرآیند مشکل تر از (pvs) است ولی به دلیل سهولت تبخیر ترکیبات فلزی مزیت ویژه ای در اختیار است که سرعت تولید را زیاد می کند .

 

 آئروسل (Aerosol) :

آئروسل ، روشی برای ساخت نانو مواد است که از اوایل دهه ۱۹۳۰ به کار گرفته شده است . یا بنا به تعریف دیگر می توان گفت به سوسپانسیون ناپایداری از ذرات جامد ، مایع و یا مخلوط جامد و مایع در داخل یک گاز آئروسل گفته می شوند که شامل سه قسمت است :

• تبخیر مواد از ماده ی توده ای
• انتقال بخار تشکیل شده توسط گاز حاصل بی اثر
• تراکم بخار تشکیل شده و رقیق شدن گاز حامل

تمام مراحل بالا در حضور گرادیان دمایی انجام می شود . بیشترین تغیرات در آخرین مرحله رخ می دهد و آن شامل سرد کردن نهایی نانو مواد بلوری در گرادیان دمایی بین منبع و جایگاه پایانی و یا در طی فرآیند تابکاری است . در پایان نانو مواد معمولا توسط یک سطح سرد شده ، جمع آوری می شود .

عوامل موثر بر فرآیند :


عواملی که بر مشخصات محصول و نرخ تولید در فرآیند آئروسل با استفاده از قطرات مایع تاثیر می گذارند عبارتند از :

• غلظت محلول
• نوع سیستم افشانش
• دمای فرآوری
• اندازه شار گازی

 سنتز فیزیکی بخار : (pvs) (Physical Vapor Synthesis)

فرآیند سنتز فیزیکی بخار ، یکی از متداول ترین و کاربردی ترین روش های تولید نانو ذرات است . اساس فرآیند در کلیه این روش ها ، تولید نانو ذرات از فاز بخار به صورت فیزیکی است و معمولا واکنش شیمیایی انجام نمی شود . برای این منظور ابتدا با تحریک ماده توسط یک منبع انرژی، فلز یا ترکیبات آن به فاز بخار منتقل می شود . سپس از طریق چگالش و جوانه زنی همگن ، خوشه های اتمی تشکیل می شوند . در نهایت با رشد این خوشه ها نانو ذرات فرآوری می گردند . به این ترتیب ، مراحل فرآیند (pvs) را می توان مشتمل بر سه بخش زیر در نظر گرفت :

• انتقال ماده به فاز بخار
• انتقال بخار در راکتور فرآیند
• جوانه زنی و رشد ذرات به این ترتیب میتوان فرآیند (pvs) را در دو گروه روش های تبخیری و پراکنش طبقه بندی کرد .. در روش تبخیری ، توسط اعمال انرژی حرارتی ، ماده تبخیر شده و اتم های آن با جدا شدن از منبع به صورت بخار وارد راکتور فرآیند می شوند.

بر حسب نوع عامل تحریک ، گونه های مختلف ابداع شده اند که به عنوان نمونه می توان به چگالش گاز خنثی ، انفجار الکتریکی ، تحریک با لیزر ، اشاره کرد . در روش پراکنش ، با بمباران ماده اولیه توسط ذرات یا یون های پر انرژی ، اتم های جسم از سطح کنده و فاز بخار منتقل می شوند . به عبارت دیگر ، در این فرآیند تبخیر مستقیم ماده انجام نمی شود .
شایان ذکر است که غالب فرایندی (pvs) در یک محفظه خلا و در فشار پایین انجام می شوند .

 نشست فیزیکی بخار (pvd) (Physical Vapor Deposition) :

از روش نشست فیزیکی بخار بیشتر برای تولید فیلم های نازک استفاده می شود . فیلم نازک اغلب برای پوشش با ضخامت کمتر از ۱۰۰nm استفاده می شود . اخیرا از این روش برای تولید نانو ذرات نیز استفاده شده است . در این روش ماده مورد نظر تبخیر شده و بر روی بستر نشانده
می شود .
(pvd) با روش (cvd) متفاوت است . در این روش با استفاده از منابع بخار و یا مایع ، اتم ها و ملکول های واکنش دهنده را بوجود می آورند . همچنین این روش بر پایه واکنش های فیزیکی است .

مراحل تشکیل نانو مواد از روش (pvd) :
معمولا فرآیند نشست طی مراحل زیر انجام می شود :
• جذب اتم ها و یا ملکول ها بر روی سطح بستر .
• نفوذ افقی مواد جذب شده بر روی سطح .
• تشکیل پیوند با یکدیگر و نیز با اتم های بستر .
• هسته زایی اتم ها و متراکم شدن آنها .
• ایجاد ساختار های بلوری توسعه یافته و تشکیل میکرو ساختار ها .
در هنگامی که اتم های بستر پیوندی مناسبی نداشته باشند ، هسته ی سه بعدی ایجاد می شود . تحریک این هسته ها و فرآیند استوالد ، هسته های بزرگتری را ایجاد می کند . در نتیجه دانسیته فیلم نهایی کاهش می یابد . در مواردی که از سرعت های زیاد نشست استفاده می شود ، باید مراقبت های ویژه ای صورت گیرد تا فیلم یکنواخت و صافی ایجاد شود .