كيفية حل ظاهرة التكتل في تحضير مسحوق النانو

تمتلك المواد النانوية خصائص ميكانيكية وبصرية وحرارية وكهربائية ومغناطيسية وامتصاصية واستشعارية للغازات وغيرها من الخصائص الفريدة. إن دمج المساحيق النانوية في المواد التقليدية يمكن أن يعزز من أدائها بشكل كبير أو يقدم خصائص غير متوقعة.

في القرن الحادي والعشرين، فرضت التطورات السريعة في الإنتاج والحياة اليومية متطلبات جديدة للمواد. وفي ابتكار مواد جديدة، تلعب الأبحاث والتطوير في مجال المواد النانوية دورًا حاسمًا، وتتجه العديد من المساحيق في صناعة المساحيق نحو تكنولوجيا النانو.

ومع ذلك، في التطبيقات العملية، فإن الحجم الصغير والنشاط السطحي العالي للجسيمات النانوية يجعلها عرضة للتكتل، وتشكيل تجمعات أكبر تعيق بشكل خطير استخدام مساحيق النانو وإعداد المواد النانوية المقابلة.

نظرًا لوجود قوى فان دير فالس وقوى كولومب في الجسيمات النانوية، فإن عملية تنقية المواد الصلبة فائقة الدقة تتضمن كسرًا مستمرًا لقوى الارتباط الداخلية للجسيمات الصغيرة، مما يزيد من الطاقة الكلية للنظام. لذلك، من منظور ترموديناميكي، يتم التحكم في التفاعل بين جزيئات المسحوق بواسطة قوى فان دير فالس وقوى كولومب، مما يؤدي إلى تجمع الجسيمات النانوية.

هناك نوعان رئيسيان من تجمع الجسيمات النانوية: التكتل الناعم والتكتل الصلب. يمكن عمومًا التخلص من التكتل الناعم من خلال المعالجة الكيميائية أو العمل الميكانيكي. ومع ذلك، لا يمكن حل التكتل الصلب، بسبب الارتباط الوثيق بين الجسيمات، من خلال التفاعلات الكيميائية العامة وحدها. يجب استخدام الطرق الميكانيكية مثل الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة أو الطحن الكروي لإزالة البلمرة. هذه الطرق هي تدابير علاجية يتم اتخاذها بعد حدوث التكتل. في الممارسة العملية، غالبًا ما يكون استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي أثناء معالجة مساحيق النانو أكثر فعالية في منع التكتل الصلب.

في الوقت الحالي، تحتوي العديد من منتجات كربونات الكالسيوم النانوية الموجودة في السوق على جزيئات نانوية وميكروية، مما يفشل في تلبية معايير النانو الحقيقية (1-100 نانومتر). والسبب الرئيسي هو التكتل الشديد للمسحوق، مما يتسبب في تجمع الجزيئات النانوية في جزيئات أكبر.

أسباب تجمع الجسيمات النانوية

يشير ما يسمى بتكتل مسحوق النانو إلى الظاهرة التي تترابط فيها جزيئات مسحوق النانو الأصلية وتشكل مجموعات جزيئات كبيرة من جزيئات متعددة أثناء التحضير والفصل والمعالجة والتخزين. وينقسم هذا بشكل عام إلى تكتل ناعم وتكتل صلب.

تعتمد عملية تكتل وتشتت المساحيق النانوية على شكلها وبنيتها السطحية. وتتأثر هذه الخصائص بالبنية الداخلية والشوائب وامتصاص السطح والتفاعلات الكيميائية وعمليات التحضير والظروف البيئية وعوامل أخرى، مما يؤدي إلى تعقيد وتنوع آليات تكتل وتشتت المساحيق النانوية.

2. طرق حل تكتل المسحوق النانوي

في تحضير وتطبيق المساحيق النانوية، تُستخدم معالجات تعديل السطح لمعالجة قضايا مثل قابلية التشتت والنشاط والتوافق والأداء الوظيفي. تنقسم هذه المعالجات عمومًا إلى ثلاث فئات: معالجة التشتت (لتحسين قابلية التشتت)، ومعالجة التنشيط (لتعزيز النشاط والتوافق)، ومعالجة الجسيمات المركبة (لتحسين الوظيفة). وتُعرف هذه المعالجات مجتمعة باسم معالجات تعديل السطح.

توجد طرق عديدة لتعديل سطح مساحيق النانو التقليدية، وتختلف التصنيفات. ويتضمن المبدأ الأساسي تطبيق معالجات فيزيائية وكيميائية على سطح مساحيق النانو. وتشمل التقنيات الشائعة امتصاص السطح، وطلاء السطح، وتطعيم السطح. وتُطبق جميع التعديلات على سطح الجسيمات النانوية. وتشمل الطرق الرئيسية تعديل الطلاء، والتعديل الكيميائي للسطح، والتعديل الميكانيكي الكيميائي، وتعديل سطح الترسيب، وتعديل الكبسولات الدقيقة الأحدث. وفيما يلي لمحة موجزة عن هذه الطرق.

تشير الأبحاث الحديثة إلى أنه يمكن تحقيق نتائج أفضل عند تصنيع أو معالجة مساحيق النانو أثناء عملية ما بعد المعالجة. يتضمن هذا النهج إجراء معالجات مضادة للتكتل على سطح الجسيمات أثناء تكوينها، مثل تطبيق الطلاءات العضوية أو غير العضوية. تشمل التقنيات المستخدمة التجفيف بالتسخين الداخلي، وغسل الكواشف العضوية، والتقطير الأزيوتروبي، والتجفيف المجزأ. بالإضافة إلى ذلك، فإن اختيار وتصميم عمليات جديدة لتصنيع مساحيق النانو هي استراتيجية فعالة لحل مشكلات التشتت، مثل التخليق الحراري المائي والتحلل الحراري.

تمكن هذه الطرق من تكوين الطور المطلوب بشكل مباشر من خلال التخليق الحراري المائي، مما يتجنب التكتل الصعب الناتج عن ارتباط الانتشار الذري على سطح المساحيق النانوية أثناء التحلل أو التحويل في درجات حرارة عالية. بالنسبة لمواد المساحيق النانوية التي لا يمكن الحصول عليها عبر الطرق الحرارية المائية، يتم استخدام طريقة الذوبان الحراري للراتنج الزيتي. ومع ذلك، تتطلب الطرق الحرارية المائية درجات حرارة وضغوطًا عالية، مما يتطلب معدات متخصصة، ويزيد من تكاليف الإنتاج، ويشكل مخاطر تتعلق بالسلامة.

فيما يلي وصف لعدة طرق لتحسين خصائص السطح وقابلية تشتت المساحيق النانوية:

1. طريقة الطلاء

تعد عملية تعديل الطلاء طريقة تقليدية مبكرة تتضمن استخدام البوليمرات أو الراتنجات "لتغليف" سطح المساحيق، وبالتالي تحقيق تعديل السطح. على سبيل المثال، يعمل طلاء SiO2 بمواد فعالة بالسطح مثل بولي فينيل بيروليدون أو راتنج الفوران على تعزيز توافقه مع المواد القائمة على البوليمر.

2. التعديل الرسوبي

تُستخدم هذه الطريقة عادةً لتعديل سطح مسحوق TiO2 وSiO2 وCaCO3 وغيرها من المساحيق غير العضوية. وتتضمن تفاعلات كيميائية تترسب فيها المنتجات على سطح المسحوق المعدل، مما يشكل طبقة طلاء رقيقة للغاية. تعمل هذه الطبقة على تغيير خصائص سطح مسحوق النانو لتلبية متطلبات التطبيق المحددة.

3. تعديل الكبسولة الدقيقة

تعد تعديلات الكبسولات الدقيقة تقنية جديدة تم تبنيها في البداية في مجال الأدوية الحديثة لتحقيق تأثير إطلاق مستدام لمساحيق الأدوية فائقة الدقة. تتضمن هذه الطريقة طلاء طبقة فيلمية موحدة وسميكة على سطح الجسيمات فائقة الدقة. في الكبسولات الدقيقة، يُشار عادةً إلى المسحوق المغطى (أو القطرات الدقيقة) باسم المادة الأساسية، بينما يكون الغلاف الخارجي هو مادة الغشاء.

تعمل الغشاء على التحكم وتنظيم عملية الذوبان، والانطلاق، والتطاير، وتغير اللون، وهجرة المكونات، والاختلاط، أو معدل التفاعل والوقت مع مواد أخرى من المادة الأساسية. ويعمل بمثابة "صمام" للتحكم في العزل والتنظيم، مما يسمح بالتخزين والحجز حسب الحاجة، ويمكنه أيضًا إخفاء المواد السامة أو الضارة. وعادةً ما يتراوح قطر الكبسولات الدقيقة من 0.5 إلى 100 نانومتر، مع سمك جدار الغشاء حوالي 0.05 إلى 10 نانومتر. وتشمل طرق تحضير الكبسولات الدقيقة تقنيات كيميائية وفيزيائية وفيزيائية كيميائية.

4. التعديل الكيميائي للسطح

تتضمن عملية التعديل الكيميائي للسطح استخدام مجموعات وظيفية في الجزيئات العضوية لامتصاص أو التفاعل كيميائيًا على سطح الجسيمات غير العضوية (الحشوات أو الصبغات). ويؤدي هذا إلى تنظيم سطح الجسيم وتحقيق تعديل السطح. ويتضمن اختيار المعدلات اختيار نوع المذيب وطريقة التشتت ومجموعة المعدلات السطحية. لتحسين تأثير الطلاء (أي التعديل الكيميائي) وتقليل كمية المعدل السطحي المستخدم، من الضروري ضمان التشتت الموحد للمعدل. ويمكن تحقيق ذلك من خلال التخفيف المناسب للمذيب والاستحلاب وإضافة الرش وغيرها من الطرق.

نظرًا لعدم تجانس خصائص سطح مسحوق النانو، فإن استخدام مزيج من عاملين تعديليين قد يكون أحيانًا أكثر فعالية من استخدام عامل تعديل واحد. على سبيل المثال، فإن الجمع بين عوامل اقتران إستر التيتانيوم وعوامل اقتران حمض دهني لتعديل سطح كربونات الكالسيوم لا يحسن تأثير التعديل فحسب، بل يقلل أيضًا من كمية عامل اقتران إستر التيتانيوم المطلوبة، وبالتالي خفض تكاليف الإنتاج.

5. التعديل الميكانيكي الكيميائي

تتضمن التعديلات الميكانيكية الكيميائية تنشيط مسحوق النانو ومعدلات السطح (أو مسحوق نانوي آخر أدق يستخدم في الطلاء أو المركب) من خلال العمل الميكانيكي. وهذا يعزز التفاعلات الكيميائية بين واجهاتهم، مما يؤدي إلى تعديل كيميائي وزيادة قوة الارتباط بين معدل السطح ومسحوق النانو المعدل.

6. طريقة التجفيف بالحرارة الداخلية

إن الخاصية الشعرية هي عامل مهم في التكتل الصلب للروابط الكيميائية المتكونة بين الجسيمات أثناء عملية فصل المساحيق عن المواد الصلبة والسائلة. يتم استخدام التسخين الخارجي العادي لتبخير الوسط على سطح تكتلات المساحيق الرطبة، مما يتسبب في نقل السائل داخل التكتلات إلى السطح من خلال الشعيرات الدموية.

تتأثر هذه العملية حتماً بالعمل الشعري بين الجسيمات. يمكن لطرق التسخين الداخلي، مثل التسخين بالأشعة تحت الحمراء والتسخين بالميكروويف، أن تقلل من العمل الشعري بين الجسيمات وتقلل من التكتل الصلب للجسيمات النانوية. وذلك لأن تبخر الوسط يحدث داخل الكتلة الرطبة، بدلاً من التأثر بالقوى الشعرية الخارجية.

7. طريقة التنظيف العضوية

غالبًا ما يحدث التكتل الصلب للجسيمات النانوية بسبب الروابط الكيميائية بين الجسيمات والمجموعات الهيدروكسيل على أسطحها. لذلك، فإن إزالة المجموعات الهيدروكسيل المرتبطة بسطح الجسيمات النانوية يمكن أن يقلل من تكتل المسحوق. تعالج طريقة التنظيف العضوية التكتل الصلب بشكل فعال، وخاصة في مساحيق الأكسيد. عادةً، يتم غسل الجل الرطب أو مسحوق النانو عدة مرات بالإيثانول اللامائي أو الكواشف العضوية الأخرى، ثم تجفيفها للحصول على مسحوق نانوي مشتت.

تتضمن الآلية استبدال بعض مجموعات الهيدروكسيل غير الجسرية على سطح الجسيمات الغروانية بمجموعات وظيفية من الكاشف العضوي. يوفر هذا الاستبدال عائقًا مكانيًا ويقلل من احتمالية تكوين روابط كيميائية بين أيونات المعادن على سطح الجسيمات المتجاورة من خلال إزالة الماء وترابط مجموعات الهيدروكسيل غير الجسرية، وبالتالي القضاء على التكتل الصلب. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في تحضير مساحيق النانو عبر طريقة الجل المحلول، مثل Al2O3 وZrO2 وSiO2 وTiO2.

8. طريقة التقطير الأزيوتروبي

في تجفيف المواد الرطبة، يتم استخدام التقطير الأزيوتروبي باستخدام الن-بيوتانول، الذي يتمتع بنقطة غليان أعلى من الماء، لتعظيم إزالة الماء المغلف في الغرواني على شكل أزيوتروبيات. وهذا يمنع تكوين تكتلات صلبة أثناء التجفيف والتكليس اللاحقين. وقد أظهرت الأبحاث أن المجموعات الوظيفية للـن-بيوتانول تحل محل مجموعات -OH على السطح الغرواني، مما يوفر عائقًا مكانيًا. تعمل هذه الطريقة وفقًا لآلية مماثلة للتنظيف العضوي.

9. طريقة التجفيف المجزأة

بالنسبة لمعظم مساحيق النانو التي يتم تصنيعها بالطرق الكيميائية الرطبة، يتم الحصول أولاً على سلائف مثل الأملاح والهيدروكسيدات والمركبات العضوية المعدنية. يجب أن تخضع هذه السلائف للمعالجة الحرارية عند درجات حرارة مختلفة لإنتاج مساحيق النانو النهائية. لمنع درجات الحرارة المرتفعة من التسبب في انتشار الجزيئات والترابط على سطح مساحيق النانو، مما قد يؤدي إلى التصاق متبادل بين الجسيمات والتكتل الصلب، من المهم تقليل درجة حرارة المعالجة الحرارية، أو تقصير وقت المعالجة الحرارية، أو استخدام معالجات حرارية متعددة قصيرة المدة. يساعد هذا النهج في تقليل حدوث التكتل الصلب مع ضمان تحلل أو تحويل السلائف للحصول على الطور المطلوب.

خاتمة

يشكل تكتل المساحيق النانوية تحديًا كبيرًا في تحضيرها وتطبيقها. تقدم تقنيات تعديل السطح المختلفة - مثل تعديل الطلاء، وتعديل الرواسب، وتعديل الكبسولات الدقيقة، والتعديل الكيميائي للسطح، والتعديل الميكانيكي الكيميائي، والتجفيف الحراري الداخلي، والتنظيف العضوي، والتقطير الأزيوتروبي، والتجفيف المجزأ - حلولاً متنوعة لمعالجة هذه المشكلة. تعمل كل طريقة على مبادئ وآليات فريدة، تستهدف جوانب مختلفة من تكتل المساحيق النانوية.

ومن خلال استخدام هذه الأساليب، يمكن للباحثين والمصنعين تعزيز قابلية التشتت والنشاط والأداء الوظيفي لمساحيق النانو، وبالتالي تحسين قابلية استخدامها في تطبيقات مختلفة. وتستمر التطورات المستمرة في هذه التقنيات في تحسين وتحسين أداء مساحيق النانو، مما يساهم في تطوير مواد أكثر كفاءة وفعالية في مجالات تتراوح من المستحضرات الصيدلانية إلى التطبيقات الصناعية.

ومع تزايد فهم سلوك مسحوق النانو وتقنيات تعديله، من المرجح أن تظهر ابتكارات أخرى تقدم حلولاً أكثر دقة لتحديات تكتل الجسيمات النانوية.