واکنش‌های شیمیایی به دسته‌های مختلفی تقسیم میشوند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در این میان، واکنش‌های ردوکس (کاهش و اکسایش) و سنتز نانوذرات نقره به دلیل کاربردهای گسترده در صنایع مختلف از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. در این مقاله به بررسی این دو موضوع پرداخته و همچنین تاثیر شکل و اندازه نانوذرات نقره بر رنگ آنها و پدیده پلاسمون سطحی را توضیح خواهیم داد.
واکنش‌های ردوکس
واکنش‌های ردوکس به واکنش‌هایی گفته میشود که در آنها الکترون‌ها بین گونه‌های شیمیایی منتقل میشوند. این واکنش‌ها شامل دو نیم‌واکنش هستند: اکسایش که در آن گونه‌ای الکترون از دست میدهد و کاهش که در آن گونه‌ای الکترون کسب میکند. به عنوان مثال، واکنش بین مس و نقره به صورت زیر است:
Cu + 2Ag+ →Cu2+ + 2Ag
پراستفادهترین روش سنتز نانوذرات، روشهای شیمیایی میباشد. از میان همه روشهای شیمیایی، احیا مستقیم ماده شیمیایی به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرد که این امر به دلیل سادگی نسبی، بازده بالا، هزینه کم و امکان سنتز نانوذرات با اشکال مختلف ( با تغییر غلظت ماده احیاکننده ) میباشد. البته این نکته باید مورد توجه قرار گیرد که استفاده از مواد شیمیایی سمی برای سنتز نانوذرات نقره ضروری است و این مورد از معایب این روش به شمار میرود و ممکن است منجر به آلودگی محیطی شود. هر چند برای تولید اشکال خاصی از نانوذرات، روش شیمیایی قابل جایگزینی نمیباشد.
روش احیا شیمیایی میتواند برای سنتز انواع مختلف نانوذرات فلزی ( نقره، طلا، مس، آهن و … ) استفاده شود. در میان همه نانوذرات فلزی، نقره جایگاه مهمی دارد نه فقط به خاطر ویژگیهای فیزیکی (رسانایی) و شیمیایی (کاتالیستی) بلکه به این دلیل که نانوذرات نقره ویژگیهای ضدمیکروبی قابل توجهی دارند. علاوه بر این، کلوئید نانوذرات نقره خاصیت نوری بسیار خوبی از خود نشان میدهد.
نانوذرات نقره و کلوئید نقره کاربرد گستردهای به عنوان عوامل تشخیصی و درمانی در نانوپزشکی دارند. نانوذرات نقره ویژگیهای کاتالیتیکی مناسبی دارند، هم چنین میتوانند به عنوان عوامل ضدمیکروبی و ضدعفونی مورد استفاده قرار بگیرند، علاوه بر اینها از خواص نوری این ذرات در هنر به عنوان عوامل رنگآمیزی استفاده میشود.
کلوئیدهای نقره رنگهای مختلفی را بر اساس شکل و انداره نانوذرات ایجاد میکنند و تحت شرایط خاصی، محلول کلوئیدی نقره میتواند دورنگ (dichroic) باشد. یک ماده دورنگ مادهای است که باعث تجزیه نور مرئی به پرتوهای مجزا با طول موجها و رنگهای متفاوت میشود. در مورد کلوئید نقره دورنگ، رنگ بر اساس مسیر عبور نور تغییر میکند. در نور بازتاب شده، محلول مثلاً رنگ سبز را نشان میدهد درحالیکه در نور عبورکرده، محلول به رنگ زرد دیده میشود.
تاثیر شکل و اندازه نانوذرات نقره بر رنگ آنها
نانوذرات نقره بسته به ساختار (شکل) و اندازه‌شان، رنگهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند. این تغییر رنگ به دلیل تغییر در طول موج‌های نوری است که توسط نانوذرات جذب و پراکنده میشود. به عنوان مثال:
- نانوذرات کروی با اندازه کوچک‌تر از 10 نانومتر معمولاً رنگ زرد یا قهوهای از خود نشان می‌دهند.
- نانوذرات بزرگ‌تر ممکن است رنگهای قرمز یا آبی نشان دهند.
- نانوذرات با اشکال مختلف مانند مکعبی، هشت‌وجهی یا میله‌ای نیز رنگهای متفاوتی دارند.
علت تغییر رنگ نانوذرات نقره: پلاسمون سطحی
پلاسمون سطحی پدیده‌ای است که در آن الکترون‌های سطحی نانوذرات با میدان الکتریکی نور برخورد کرده و نوسان میکنند. این نوسانات به طول موج‌های خاصی وابسته‌اند که باعث جذب و پراکندگی نور در نانوذرات میشود. به این ترتیب، رنگ نانوذرات نقره وابسته به ویژگیهای پلاسمون سطحی آنها است. تغییر در اندازه و شکل نانوذرات میتواند طول موج‌های پلاسمون سطحی را تغییر دهد و در نتیجه رنگهای مختلفی ایجاد کند.
تنها چندین مقاله علمی در مورد آمادهسازی و استفاده از کلوئید نانوذرات نقره و طلا با اشکال مختلف نوشته شده و حتی موارد کمتری در مورد پدیده دورنگی وجود دارد. آمادهسازی اشکال خاص نانوذرات، به خصوص نانوذرات دورنگ، نسبتاً پیچیده است، زیرا این پدیده به حضور نانوذرات با مورفولوژیهای مختلف بستگی دارد. تلاش زیادی برای درک این مکانیسم انجام شده و فرضیههای زیادی برای توضیح شکلگیری این ساختارها پیشنهاد شده است.
روشهای شیمیایی سنتز نانوذرات نقره نیازمند مواد شیمیایی گوناگون است که هر کدام نقش خاصی (احیاکننده، پایدارکننده و …) بازی میکنند. هنگام سنتز، مواد شیمیایی با ماده اولیه و با همدیگر برهمکنش میکنند؛ تازگی محلول تهیه شده و شرایط فرایند هم اثر قابل توجهی دارند (مانند سرعت همزدن و دمای واکنشدهندهها). بنابراین توصیف دقیق فرایند سنتز آسان نیست، علاوه بر این، احیا یون نقره و تجزیه یا انحلال نانوذرات سنتز شده هم ممکن است رخ دهد و یونهای نقره دوباره داخل محلول آزاد میشوند. در مراحل اولیه پژوهش، محبوبترین نظریه برای رشد نانوذرات، نظریه پوشش وجه (face-blocking) بود اما بعدتر ثابت شد که تقارن کریستال در هستههای در حال رشد هم بسیار مهم است.
در یک مطالعه، تأثیر انواع احیاکننده ها بر فرایند سنتز و شکل نانوذرات نقره بررسی شد. این پژوهش نشان داد که شکل نانوذرات نقره بر رنگ محلول کلوئیدی آنها مؤثر است و نانوذرات کروی، مثلثی، نامنظم، چندوجهی یا مخلوط اینها رنگهای متفاوتی ایجاد میکنند.
برای آزمایش، 14 محلول با عوامل احیاکننده متفاوت تهیه شد و آنها را از A تا M نامگذاری کردند. پس از گذشت یک هفته محلولها به شکل زیر تغییر رنگ دادند.
مشخص شد که محلولهایی که زردرنگ هستند، شامل نانوذرات کروی میباشند. محلولهایی که به رنگ آبی هستند از نانوذرات مثلثی تشکلیل شدهاند. محلولهایی که رنگ مایل به سبز دارند حاوی اشکال مختلفی از نانوذرات هستند و محلولهای شفاف و بیرنگ، نانوذرات نقره تشکیل ندادند.
همچنین برای برخی نمونهها بعد از گذشت یک هفته پدیده دورنگی مشاهده شد. در روز اول محلول در نور بازتاب شده و نور عبور کرده به رنگ زرد بود اما در روز هفتم محلول در نور عبورکرده، قهوهای شد و در نور بازتاب شده، سبز بود. علاوه بر این، مشخص شد که در این محلولها در روز اول نانوذرات به شکل کروی بودند اما در روز هفتم مخلوطی از اشکال مختلف نانوذرات در محلول حضور دارند که در واقع علت پدیده دورنگی همین حضور نانوذرات با اشکال و اندازههای متفاوت میباشد.
کیت آینه جادویی و نانونقره رنگارنگ
تولید آینه با استفاده از نیترات نقره یک فرآیند پیچیده و جذاب در صنایع شیمیایی است. آینه، یک سطح شیشه‌ای با پوشش نازکی از نقره است که به واسطه انفعالات شیمیایی در دمای مرتبه صد درجه سانتیگراد تولید میشود. در این فرآیند، نیترات نقره یکی از مواد اصلی و مهم است که در ایجاد لایهٔ نازک نقره بر روی سطح شیشه نقش دارد.
در کیت آینه جادویی و نانونقره رنگارنگ با استفاده از یک معرف بر روی سطح شیشه آینه می‌سازیم.
تهیه تنظیم:
- رکسانه شایگان
- مهسا سبزی خباز
