مقدمه
مواد نانو متخلخل دارای حفره هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن ها را فضای خالی تشکیل می دهد. نسبت سطح به حجم ( سطح ویژه ) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی (Permeability) زیاد، گزینش پذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی های مهم آنها می باشد. با توجه به ویژگی های ساختاری، این مواد به عنوان تبادل گر یونی (Ion Exchanger)، جداکننده ( Separator)، کاتالیزور، حس گر، غشا ( Membrane) و مواد عایق استفاده می شوند.
تعریف تخلخل
نسبت حجمی فضای خالی ماده ی متخلخل به حجم کل ماده تخلخل (Porosity) نامیده می شود. به موادی که تخلخل آنها بین 0.2 تا 0.95 باشد نیز مواد متخلخل (Porous) می گویند. حفره ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره ی باز (Open Pore) نام دارد که برای صاف کردن (Filteration)، غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن ها : Chromatography) مناسب است. به حفره ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره ی بسته (Closed Pore) می گویند که وجود آن تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد.
حفره ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانه ای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش (Hexagonal) هستند. هم چنین تخلخل ها می توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند. (1)
شکل 1- ماده ای نانومتخلخل با آرایش شش ضلعی حفره های استوانه ای (2)
دسته بندی مواد نانومتخلخل
مواد نانومتخلخل بر اساس اندازه ی حفره ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیم بندی می شوند:
الف- دسته بندی بر اساس اندازه ی حفره
اتحادیه ی جهانی شیمی محض و کاربردی (IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry) مواد متخلخل را به صورت زیر نام گذاری کرده است:
1. میکرومتخلخل (Microporous): دارای حفره هایی با قطر کم تر از 2 نانومتر.
2. مزومتخلخل (Mesoporous): دارای حفره هایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
3. ماکرومتخلخل (Macroporous): دارای حفره هایی با قطر بیش تر از 50 نانومتر.
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل عبارت نانومتخلخل (Nanoporous) را برای موادی که دارای دارای حفره هایی با قطر کم تر از 100 نانومتر هستند به کار می برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
شکل 2- انواع سیلیکا بر اساس اندازه ی حفره: الف: ماکرومتخلخل، ب: مزومتخلخل، ج: میکرومتخلخل.(2)
ب- دسته بندی بر اساس مواد تشکیل دهنده
1. مواد نانومتخلخل آلی
2. مواد نانومتخلخل معدنی
ج- دسته بندی براساس نظم ساختار
1. ساختارهای بلوری (Crystalline) یا منظم (Ordered) که دارای آرایش ساختاری منظمی هستند.
2. ساختارهای بی شکل (Amorphous) یا بی نظم (Disordered) که نظم خاصی در آرایش ساختاری خود ندارند.(2)
مواد نانو متخلخل آلی خود به دو دسته تقسیم می شوند که عبارتنداز:
1. مواد کربنی: کربن فعال (Activated Carbon)، کربنی است که حفره های بسیار زیادی دارد و مهم ترین کربن از دسته ی مواد میکرومتخلخل است.
2. مواد بسپاری (Polymeric): مواد نانومتخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف پذیر خود، حفره های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد.(2)
به عبارتی دیگر می توان گفت که :
کربن های متخلخل (Porous Carbons) یک دسته از ساختارهای کربن ها هستند که تخلخل زیاد دارند. مساحت سطح آنها بالاست و دارای حفراتی با ابعاد نانومتری مشابه با ابعاد فولرن هستند.(3) این دسته شامل کربن های فعال (Activated Carbon)، گرافیت ورقه ورقه شده (Exfoliated Graphite) و ایروژل های کربن (Carbon Aerogels) می باشند. نانوحفرات ممکن است به شکل های قفسه ای یا تونلی باشند. در تهیه کربن فعال Isotropic Pitch. و فنول به عنوان پیش ماده استفاده می شوند. گرافیت ورقه ورقه شده فرم دیگر از کربن دارای مساحت سطح بالاست که با حرارت دادن ترکیب بین لایه ای (Intercalated Compound) تهیه می شود.
کربن ایروژل یک فرم نامنظم از کربن پیوند شده sp2. با دانسیته بالکی پایین است و به وسیله ی فرآیند فوق سرمایش (Supercooling) تهیه می شود.(5،4) این مواد مثال هایی از مواد با چگالی کم و ساختار خوشه مانند هستند که از ذرات کربنی متصل شده به هم با قطر نزدیک به nm12 تشکیل شده اند. بین هر ذره یک نانوساختار مشابه کربن شیشه ای شامل یک شبکه از نوارهای گرافیتی با عرض nm2.5 مشاهده می شود(شکل3). مساحت سطح این ساختار بین 600 تا m2g-1800 می باشد.
شکل 3- شماتیک دیاگرام میکروساختار ایروژل کربن. هر دایره حاشور خورده نشان دهنده یک ذره کربن آمورف. میکروساختار نشان داده شده برای فرم های دانسیته A کم حدود 0.1 گرم بر سانتیمتر مکعب و B زیاد (g/cm3 ~0/6). میکروساختار نشان می دهد.
a- حالت mesopores که در فاصله مابین زنجیره های ذرات وصل شده، پل زده اند، -b حالت micropores ساندویچ شده بین ذرات، c- ذرات جدا (قطر حدود 12 نانومتر). d- حالت micropores درون ذرات و e- حالت micropores مابین ذرات همجوار.(6)
کربن فعال شده (Activated carbon)
کربن فعال شده به صورت جامد آمورف دارای ساختاری با مساحت سطح داخلی بالا می باشد که می تواند ملکول های مختلف را از فاز مایع یا گاز جذب کند(7) این ترکیب از تعدادی مواد ناخالص شامل چوب، پوست نارگیل، و زغال سنگ تولید می شود. فرایندهای ویژه ای برای تهیه کربن های فعال به فرمهای پودری، گرانول و کروی تا کنون گسترش یافته است. کربن فعال به عنوان گونه ای از کربن به نحوی تهیه می شود که تعداد زیادی حفرات ریز با حجم کم داشته باشد. براین اساس مساحت سطح (Surface Area) در دسترس بسیار زیادی برای جذب سطحی یا واکنش های شیمیایی فراهم می آید. با توجه به وجود تخلخل های ریز ، فقط یک گرم از کربن فعال مساحت سطحی بیش از 500 متر مربع را داراست. مساحت سطح بالا به همراه غنی بودن سطح از گروه های عاملی (Functional Groups)، فعالیت بسیار بالا را بخصوص در کاربردهای مرتبط با جذب سطحی فراهم می سازد. کربن فعال معمولا از فرآوری زغال سنگ بدست می آید.
شکل 4- نمایی از کربن فعال و تصویری از آن توسط میکروسکوپ الکترونی
روشهای تهیه
تولید کربن فعال بر پایه ماده اولیه و کاربرد مد نظر، به دو دسته طبقه بندی می شود: فعال سازی حرارتی و فعال سازی شیمیایی. به طور کلی، فعال سازی حرارتی شامل حرارت دادن و تبدیل کردن کربن به گاز در دماهای بالا می باشد، در حالیکه فعال سازی شیمیایی بوسیله ی آبگیری شیمیایی از ماده خام اولیه در دماهای بسیار پایین تر صورت می گیرد.
الف- فرایند فعال سازی حرارتی
فعال سازی حرارتی در دو مرحله صورت می گیرد: تخریب حرارتی یا زغالی کردن (carbonization) پیش ماده و تبدیل به گاز کردن یا فعال سازی ماده زغالی شده. در مرحله زغالی شدن، هیدروژن و اکسیژن از پیش ماده خارج می شوند تا ساختار متخلخل اولیه کربنی تشکیل شود. در طول فعال سازی، برای افزایش حجم خلل وفرج و مساحت سطح ذره از طریق حذف محصولات فرار و تخلیه کربن (Carbon burn-off) ، اتمسفر اکسید کننده ای مانند بخار آب استفاده می شود.
فعال سازی حرارتی اغلب در کوره هایی با دماهای بالا تر از 1000 درجه سانتیگراد انجام می شود. یک فرایند فعال سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده از زغال در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل 5- فرایند فعال سازی حرارتی برای تولید کربن فعال شده
ب- فرایند فعال سازی شیمیایی
در فرایند فعال سازی شیمیایی، ابتدا پیش ماده با یک عامل فعال شیمیایی که اغلب فسفریک اسید است آماده سازی می شود و سپس تا دمای 700 – 450 درجه سانتیگراد حرارت داده می شود. سپس زغال حاصل با آب شسته می شود تا اسید از کربن خارج شود و خشک می شود. شکل 5 نمودار شماتیک فرایند فعال سازی شیمیایی چوب را نشان می دهد.
شکل 6- فرایند فعال سازی شیمیایی برای تولید کربن فعال شده
نانوذرات کربن فعال
در سال های اخیر از کربن فعال در صنایع مختلف نظیر تصفیه آب، صنایع غذایی، پزشکی و محیط زیست استفاده می شود. استفاده از کربن فعال یکی از موثرترین روش های حذف بوی نامطبوع به حساب می آید. در همین راستا استفاده از کربن فعال در منسوجات نیز مورد توجه قرار گرفته است.
شکل 7. نحوه عملکرد پارچه های تکمیل شده با نانوذرات کربن فعال
فرایند جذب بوی نامطبوع توسط کربن فعال یک فراینـد فیزیکی است و کربن فـعال توانایی به دام انداختن مولکول های ترکیبات بوی متصاعد شده از بدن را دارا می باشد. یکی از ویژگی های کربن فعال، وجود روزنه ها و شیارهای بسیار ریز در ساختار این ماده است که موجبات درگیری با مولکول های بو را فراهم می آورد. اعمال گرما سبب جدایش مولکول های به دام افتاده در ساختار کربن فعال می شود که چنین دمایی در حین شستشو و خشک کردن منسوجات فراهم می شود. شایان ذکر است که کربن فعال از سطح مخصوص بسیار زیادی برخوردار است. Shasanka Sekhar در تحقیقات خود نشان داد که یک گرم کربن فعال برای پوشاندن سطح تقریباً دو زمین تنیس کافی است. بنابراین نه تنها تمام مولکول های ترکیبات بو در چرخه فعال سازی مجدد از کربن فعال جدا می شوند، بلکه وجود فضاهای خالی بسیار زیاد در ساختارکربن فعال امکان جذب مولکول های بوی بسیارزیادی را در فاصله زمانی میان چرخه های فعال سازی متوالی فراهم می آورد.
از دیگر دلایلی که سبب استفاده زیاد این ماده در منسوجات برای کنترل بوی بد بدن شده است، توانایی این ماده در جذب دامنه وسیعی از مولکول ها و ترکیبات بو با اندازه های متفاوت است. در تحقیقاتی که توسط دکتر Don Thompson در دانشگاه ایالت کارولینای شمالی انجام شد، حضور بیش از هزار ترکیب متفاوت در کفش به اثبات رسید که ناشی از تعرق پا می باشد. وجود چنین تنوعی در ترکیبات ناشی از عرق بدن تنها در ناحیه پا، تعدد ترکیبات ناشی از تعرق بدن در کل نواحی بدن و دشواری یافتن ماده ای برای جذب تمام این نوع ترکیبات را نشان می دهد. به همین سبب و به دلیل توانایی کربن فعال در جذب این ترکیبات متنوع این ماده به عنوان جاذب جهانی شهرت یافته است.(8)
Reference
1.G. Q. Lu, X. S. Zhao, "Nanoporous materials: Science And Engineering", UK: Imperial College Press, (2004.(
2. Sebastian Polarz, B. Smarsly, "Nanoporous materials", Journal of Nanoscience and Nanotechnology 2, Vol. 6, pp. 581-612, (2002).
3. Pumera, M.; Ambrosi, A.; Bonanni, A.; Chng, E. L. K.; Poh, H. L., "Graphene for Electrochemical Sensing and Bio Sensing", Trends in Analytical Chemistry, Vol.29, pp.954-965, (2010).
4. Pekala, R. W., Alviso, C. T., Renschler, C. L., Pouch, J. J., Cox, D. M. (eds.), Novel Forms of Carbon, vol.270, pp.3-14. Materials Research Society, Pittsburgh, PA, (1992).
5. Fung, A.W.P., Wang, Z. H., Lu, K., Dresselhaus, M. S., Pekala, R. W. Journal of Material Research, Vol.8, pp.1875-1885, (1993).
6. Zabel, H., Solin, S. A. (eds.), Graphite Intercalation Compounds I: Structure and Dynamics, Springer Series in Materials Science, vol.14. Springer-Verlag, Berlin, (1990).
7. Burchell, T. D., Carbon Materials for Advanced Technologies, Elsevier Science (1999).
8. odor control technology, S.-L. Technologies, Editor. p. 6.
5