مقدمه ای بر سنتز مس در مقیاس نانو

*فروش نانوذرات سنتزی در جلاپردازن پرشیا*

در سال­های اخیر تکنولوژی به عنوان یک شریک اصلی در ظهور علوم نانو به توسعه روش­های جدید برای سنتز، مطالعات، آنالیز و اصلاح ذرات و ساختار­های نانویی کمتر از 100 nm متمرکز شده است.

مشخص شده است که خواص فیزیکی نانو ذرات فلزی، از بالک فلز و اتم ­های ساخته شده مشابه متفاوت است که علاقه زیادی را در کاربرد­هایی مانند خواص آنتی باکتریال و ترکیب آنها در  دارو­ها و منسوجات و به عنوان مثال فتوکاتالیز، هادی­های الکتریکی، سنسور­های بیو شیمیایی و ظرفیت اکسیداتیو، به منظور تغییر خواص سطحی مواد دیگر مانند رنگدانه­های آرایشی ایجاد می­کند.

تکنولوژی نانو فرصت­های گسترده­ای در زمینه علوم مواد و ترکیبات دیگر شاخه­ها مانند فتوشیمی و الکتروشیمی برای درک بستر خواص آن ایجاد کرده است. تنظیم آسان اندازه نانو مواد (<100 nm) اجازه استفاده از طیف گسترده­ای از مواد برایبهبود خواص آنها، مانند اندازه را می­هد؛ بنابراین توزیع و خواص الکتریکی نوری و پتانسیل کاربرد­های بیولوژیکی نیز اصلاح می­شوند

نانوذرات مس به علت خواص ضدباکتریایی و فعالیت ضد قارچی علاوه بر خواص کاتالیزوری، اپتیکی و الکتریکی بر کاربرد­های مرتبط با فرآیند­های سلامتی مورد توجه قرار گرفته است. نانو ذرات مس اغلب توسط پراکندگی پلیمر­ها و تبخیر حلال سنتز می­شوند.

به منظور تولید ذرات کوچکتر نانو متری، برخی از روش­ها مانند استفاده از جداسازی اولتراسونه یا ارگانیک و استفاده از حلال­ها برای استخراج و انتشار پیشنهاد شده است. در سال­های اخیر، پیاده سازی سیستم­های مقرون به صرفه سازگار با محیط زیست برای سنتز نانو ذرات مس بدلیل بدست آمدن نانو ذرات اکسید فلزی یک چالش است. توسعه نانو ذرات مس برای فناوری­های آینده در حال رشد و توسعه است.

تکنیک های سنتز نانوذرات مس

توسعه مواد در مقیاس نانو در زمینه های مختلف افزایش یافته است. خواص این نانو مواد برای انقلاب تکنولوژی در سراسر جهان بسیار مهم است. که عمدتاً به روش های سنتز برای پتانسیل های کاربردهای مانند اثر ضد باکتری و ضد قارچی بستگی دارد.

بعضی از نانومواد شامل اکسیدهای فلزی، نمک های فلزی و هیدروکسید های فلزی مانند اکسید مس، اکسید روی، طلا، نقره، مس، مگنتیت و ماگمیت، تیتانیوم و آهن می شود. نانوذرات های پایه فلزی جایگزینی برای درمان های زیست پزشکی، عمدتاً در ساخت دستگاه های زیست پزشکی با پوشش های ضد میکروبی هستند. فعالیت ضد میکروبی بالای نانوذرات به اندازه ذرات بستگی دارد که اجازه سطح تماس بیشتر و تعامل مستقیم با غشاء میکروارگانیسم های بیماریزا می شود. همچنین نانوذرات به عنوان مواد دارو رسانی و عوامل یون و همچنین برای تصویربرداری تشخیصی استفاده می شود [19]. افزون بر این، افزایش استفاده نادرست از داروها مانند آنتی بیوتیک منجر به کشف زمینه پزشکی برای جایگزین های جدید بیوسید ها برای مبارزه با بیماری های عفونی شده است.

نانوذرات موادی با خواص متفاوت نسبت به فرم بالکشان هستند؛ این ویژگی ها باعث شده که نانوذرات در بسیاری از زمینه ها مانند الکترونیک (نانوسیم و نانوسنسور)، MRI ((دستگاه مغناطیسی)، دارو (داروی انعقادی)، لوازم آرایشی و بهداشتی (نانوپمپ ها) و طراحی کاتالیزوری و مواد(nanodavices)  [19] کاربرد داشته باشد.

نانوذرات نقره و مس اغلب با فعالیت ضد میکروبی بالا گزارش شده است؛ این اجازه ترکیب آنها را در مواد مختلف از جمله تیتانیوم، پلیمر، و شیشه ها می دهد.

به طور کلی، روش های سنتز نانوذرات معمولا به دو دسته تقسیم می شوند: تکنیک های فیزیکی و شیمیایی [24]. روش فیزیکی شامل کاهش مواد جامد بالک به قطعات کوچکتر در دانه های بسیار خوب از طریق یک روند سنگ زنی، یا با استفاده از مواد اسیدی یا با استفاده از منابع انرژی است. فرآیند سنگ زنی بارزترین مثال روش های فیزیکی است، در حالی که آسیاب های بسیار کارآمد برای جداسازی ذرات اندازه نانومتری استفاده میشوند. با این وجود این سیستم قابل اعتمادی برای به دست آوردن نانوذرات فلزی نیست، زیرا به طور کلی، ذرات به دست آمده بزرگتر از 100 نانومتر هستند که نمیتوانند در سایز نانومتری محسوب شوند. ضعف دیگر این تکنیک انرژی بکارگیری شده برای سنگ زنی است که باید مداوم باشد و می تواند تغییرات پر انرژی را به تولید جامدات نشان دهد که باعث عدم تعادل قابل توجهی می شود که منجر به کاهش مقدار فعال سازی انرژی می شود [25]. در واقع، احتمالا این یکی از قدیمیترین روشها است، اما امروزه برای بدست آوردن نانوذرات مس با اندازه منظم و مورفولوژی تعریف شده استفاده نمی شود.

تکنیک های فیزیکی روش های غیرواقعی هستند (جدول 1)، مانند آنهایی که نیاز به خلاء یا پلاسما دارند، گاهی اوقات نانوذرات با کیفیت پایین را به دست می آورند. چند روش فیزیکی در طی یا پس از یک فرآیند شیمیایی گنجانیده شده است، برای مثال، فرسایش لیزری که نیاز به محلول کلوئیدی دارد که شانس اکسیداسیون روی سطح نانوذرات را در یک محفظه احتراق به منظور حذف یا استخراج اتم ها از سطح بالک از طریق انتشار پرتو لیزر به حداقل می رساند ؛ این روش به دلیل پیچیدگی تجهیزات و استفاده از انرژی بالا برای لیزر امکان پذیر نیست. [26]

تعداد پالسهایی که از پرتو لیزر و زمان عرضه استفاده می کند، پارامترهای مهم برای تعیین اندازه ذرات هستند. این پارامترها در محدوده ای از 6000 تا 10،000 پالس در دوره های 10 و 30 دقیقه است [25]. تجزیه ترکیبات فرار در داخل یک محفظه یا رآکتور برای رسوب اتم توسط اتم یا مولکول توسط مولکول برای تشکیل لایه ها روی یک سطح جامد در فشار زیر فشار اتمسفر [27] استفاده می شود. بر خلاف سایر تکنیک های فیزیکی، در تخلیه سیم پالسی (PWD)، یون ها بر روی بستر جامد با جریان الکتریکی پالس وارد می شوند [28، 29].

جدول 1: روش های فیزیکی و شیمیایی سنتز نانو ذرات مس

سنتز شیمیایی در حال حاضر کاربردی­ترین و عملکردی­ترین روشی است، که شامل تراکم اتمها یا مولکولها از فاز گاز یا یک راه­حل برای استخراج نانوذرات با اندازه و مورفولوژی خاص می­شود؛ این خواص با پارامترهای سنتز مانند دما، غلظت پیش ماده، عامل تثبیت کننده یا حلال تنظیم می شوند. این روش برای سنتز نانو ذرات مس نسبت رابطه بین پیش ماده، عامل کاهش دهنده، عامل تثبیت کننده و حلال نشان را   می­دهد (جدول 2). در میان روش های شیمیایی، تبدیل شیمیایی نمک های مس برای به دست آوردن نانو ذرات مس با اندازه و مورفولوژی کنترل شده، ساده و آسان است.

واکنش شیمیایی به محیط های آبی و شرایط هوا حساس است، جایی که سطح نانوذرات به شدت اکسید کننده است، بنابراین گاهی لازم است که از شرایط محیطی بی هوازی (فضای نیتروژن یا آرگون) یا مواد فعال سطحی برای محافظت از سطح نانوذرات ، مانند عامل لیگاند، سورفکتانت ها، پلیمرهای محلول، اسیدهای ضعیف و غیره استفاده شود (شکل 1).

جدول 2: مواد شیمیایی برای سنتز نانو ذرات مس

a

b

شکل 1: HRTEM نانو ذرات مسM. 10^-2×1 از سولفات مس 0.5 آب و M 10^-2×1  از سدیم بور هیدرید، تحت گاز نیتروژن، که برای 2-3 ساعت به شدت مخلوط شدند. تصویر چپ نانو ذرات مس را با اندازه های 25 تا 4 نانومتر نشان می دهد. تصویر راست یک تصویر بزرگ شده از اندازه خاص نانوذرات است.

روش تبدیل شیمیایی و مسیر میکرو امولسیون برای اولین بار برای ساخت فلز طلا استفاده شده است و از آنها برای کاهش سایر فلزات نجیب مانند مس با استفاده از نمک های مس (سولفات ها، نیترات ها و کلرید ها) و عوامل کاهش دهنده آن (بورو هیدرید سدیم ، ایزوپروپیل الکل، اسید اسکوربیک و هیدرازین) و گاهی اوقات با استفاده از عوامل ثبات دهنده (پلی وینیل پیرولیدون و پلی اتیلن گلیکول) [35، 36] استفاده می­شده است. سنتز شیمیایی سبز با استفاده از رمان Ginkgo biloba Linn. برگ یک گزینه موفق برای به دست آوردن پایدار کروی Cu است که در حدود 15-20 نانومتر است [37].

روش کاهش مایکرومولسیون (شکل 2 ((a)یا سنتز کلوئیدی شامل استفاده از مخلوط روغن آب، روغن و آب و دی اکسید کربن فوق بحرانی میکرواری سطحی فعال تشکیل می شود. کاهش تخریب سلولی بر اساس امواج اولتراسونیک (شکل 2    (b) ) با فرکانس حدود 20 کیلو هرتز تا 10 مگاهرتز است؛ این واکنش توسط یک پدیده فیزیکی حفره آکوستیک فعال است. سنتز الکتروشیمیایی (شکل 2 (c))  براساس کاربرد جریان الکتریسیته بین دو الکترود (کاتد و آند) جدا شده از طریق محلول الکترولیتی است؛ فرایند کاهش در سطح الکترود کاتد اتفاق می افتد. مایکروویو ها و درمان های هیدروترمال جایگزین های جدیدی برای به دست آوردن اندازه ذرات منظم و مورفولوژی نانو ذرات مس هستند. تکنیک مایکروویو شامل انرژی الکترومغناطیسی با فرکانس های 300 مگا هرتز تا 300 گیگاهرتز است که در آن مقادیر کافی انرژی به طور مستقیم بر پیکر بندی نانو ذرات مس تاثیر می گذارد. در نهایت، در درمان هیدروترمال، واکنش شیمیایی نیاز به یک اتوکلاو محکم چسبیده دارد، جایی که حلال ها در دمای بالاتر از نقاط جوش قرار می گیرند.

تکنیک های سنتز همچنین اغلب به صورت "پایین به بالا" و "بالا به پایین" با جهت تشکیل نانوذرات طبقه بندی می شوند. واکنش "پایین به بالا" از سطح اتمی از طریق تشکیل مولکول ها شروع می شود ؛ با این حال، در روش مخالف به عنوان "بالا به پایین"، مقیاس نانوذرات حاصل بزرگتر است، بنابراین یک فرآیند مکانیکی یا افزودن اسید به کاهش اندازه ذره احتیاج دارد. به طور معمول، تکنیک "بالا به پایین" نیاز به استفاده از ابزار پیچیده و پیچیده دارد.

صرف نظر از تکنیک انتخاب شده برای سنتز نانوذرات مس، باید شرایط را برای تنظیم اندازه ذرات (کمتر از 100 نانومتر) و شکل نانوذرات (نانوفیلترها، نانوذرات و نانوسپیرها) کنترل کرد، زیرا توزیع گسترده اندازه ذره خواص آنها را تغییر داده است. شانکار و ریم، متوجه شدند که نانوفیبرها،  نانوذرات کروی و مثلثی را می توان با استفاده از محلول پایه یا اسیدی که، به ترتیب، ابتدا در محدوده nmand 360-280 سپس از محدوده 240 تا nm 280به دست آورد. آنها همچنین دریافتند که هر دو شکل مس در برابر باکتری گرم منفی و گرم مثبت مونوسیتوژن مقاومت نشان می­دهد، اما نانو فیبرها فعالیت ضد باکتری قویتری نسبت به این نانوذرات کروی و مثلثی داشتند. سنتز نانو ذرات فلزی در حال حاضر نیاز به سیستم های فیزیکی و شیمیایی دارد تا بهترین ویژگی ها و خواص بهینه برای تولید مواد جدید را در نظر بگیرند. خصوصیات خاصی را می توان با تفاوت های قابل توجه بین روش های فیزیکی و شیمیایی بدست آورد؛  مواد شیمیایی مفید­تر است اگر چه به دنبال یافتن نانو ذرات کمتر از 50 نانومتر است؛ هر دو روش به طور موثر از نانو ذرات مس به دست آمده؛ با این حال خواصی که به اندازه نانوذرات نسبت داده می شود باید مورد توجه قرار گیرد. خداشناس و قربانی سه روش (شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی) را مقایسه کردند و نتیجه گرفتند که مسیر بیولوژیکی دوست دار محیط زیست و ارزان تر و برای کسب نانو ذرات مس از مواد فیزیکی و شیمیایی ارزان تر و آسان تر است.

مشاهده ساختارهای مقیاس نانو در آزمایش های مختلف شامل فوتون ها، الکترون ها، نوترون ها، اتم ها، یون ها یا نوک تیز اتمی که دارای فرکانس های مختلف هستند، در گستره ای از اشعه های گاما تا اشعه مادون قرمز یا فراتر از آن انجام می شود. اطلاعات حاصل می توانند پردازش شوند تا تصاویر یا طیف هایی تولید کنند که جزئیات توپوگرافی، هندسی، ساختاری، شیمیایی و یا فیزیکی را نشان دهند. چندین تکنیک برای مشخص کردن نانومواد موجود است.

شکل 2: سنتز نانو ذرات مس a) تکنیک میکرومولسیون (روغن آب / آب روغن): میسلهای چربی توسط نانو ذرات که شکل سر­های آب گریز و یا دم­های آب دوست می­گیرند احاطه شده اند ، و تعامل هر دو به شکل کروی است. (b) تکنیک سونو شیمیایی: اعمال انرژی به عنوان امواج، میسل­های یافت شده در تعامل میانی با مس های احاطه شده که در نتیجه شکل کروی نانو ذرات را می دهد. (c) تکنیک الکتروشیمیایی: تعامل بین شارژ­های الکتریکی متضاد باعث تولید انرژی در وسط تشکیل نانوذرات شد؛ این انتشار انرژی معمولا ثابت است که این عمل بین یک موضوع و دیگری ساختار نهایی را که شکل گرفته است، اجازه می­دهد.

نانو ذرات مس از لحاظ فیزیکی و شیمیایی به منظور دستیابی به مقدار زیادی اطلاعات برای تعیین خصوصیات فیزیکی و بیولوژیکی مشخص شده است (جدول 3). اندازه های کوچک نانو ذرات مس نیز ضرر اصلی خود هستند، زیرا این نشان دهنده یک چالش برای جامعه علمی برای دستیابی به ویژگی های فیزیکی و شیمیایی کافی است.

ثبات یا توانایی برای حفظ اندازه و شکل آن به عنوان عملکرد زمان بسیار مهم است که خواص و کاربردهای بالقوه را به عنوان یک ماده "زیست فعال" حفظ کنید. برخی از داده های مربوطه مانند خلوص فازها، توزیع در فضا، ترکیب شیمیایی سطح آن و بلورینگی آن با روش های مختلف، اکثر آنها از انرژی های با تجزیه­های بزرگ  تحلیل می شوند. اهمیت تجزیه و تحلیل نانو ذرات مس در رشد کاربرد­ها قرار دارد، تولید دانش ماهیت این مواد جدید ضروری است.

فلزات مانند کلوئید های مس معمولا در محدوده قابل رویت فرابنفش به علت تحریک سطح تشدید پلاسمون جذب می شوند. بنابراین، طیف نما­ی فرابنفش قابل رویت یک روش مناسب برای مشخص کردن نانو ذره مس است. بعضی از مواد فلزی کلوئیدی زیر مقیاس ماکروسکوپی متفاوت هستند و دارای قواعد جذب متمایز در منطقه قابل مشاهده هستند؛ مس، نقره و طلا با بالاترین قله جذب می شود. میکروسکوپ الکترونی انتقال رایج ترین تکنیک تشخیص برای تعیین شکل و اندازه نانو ذرات مس است. اگر چه روش های دیگر مانند پراکندگی نور پویا و پراکندگی اشعه ایکس در زوایای کوچک نیز برای اندازه گیری اندازه ذرات استفاده می شود ، تنها تجزیه و تحلیلTEM تصاویر واقعی از مورفولوژی و شکل ساختار نانو را فراهم می کند. میکروسکوپ اسکن الکترونی یک ابزار است که مشاهده مواد غیر معدنی را به صورت اطلاعات مورفولوژیکی اجازه می دهد. استفاده اصلی EDS / SEM با وضوح بالا )~100 ˚ (A توانایی گرفتن تصاویر سه بعدی با پهنه­های عمیق با آماده سازی نمونه ساده است. دستاوردها در سال های اخیر کنترل دقیق ساختار تولید شده در سنتز نانو ذرات مس بسته به برنامه خاص را اجازه می دهد.

در طول  یک دهه، نانوذرات فلزی و اکسید فلزی مانند نقره، روی، طلا یا دی اکسید تیتانیوم به عنوان عامل­های ضد میکروبی استفاده شده اند. در حال حاضر رفتار نانولوله ها در اندازه های نانومتری در برابر اندامگان پاتوژن هنوز مطالعه می شود. فعالیت ضد میکروبی بالا نانو ذرات مس در مطالعات متعدد متمرکز بر بهینه اندازه حدود 1 تا 10 نانومتر نشان داده شده است.

نانو ذرات مس در زمینه­های داروسازی و پزشکی به دلیل خواص آنها، به ویژه تعامل آنها با پاتوژن­ها، ناحیه سطح فعال آنها و واکنش شیمیایی بالا و واکنش پذیری بیولوژیکی آنها،  وعده داده شده است.

مس یکی از عناصر ضروری برای برخی از فرآیندهای متابولیسم است اما در غلظت های پایین، زیرا دوزهای بال می توانند عواقب جدی در عملکرد اتابولیک آنها داشته باشد. این به عنوان دهنده الکترون یا گیرنده الکترون می تواند در برخی از آنزیم ها به علت خواص بازسازی آن، باعث افزایش سمیت آن برای باکتری شود که با یون های Cu + 1 و Cu + 2 بوجود می آید. برخی از باکتریها مانند کلستردیوم سخت مکانیسم های مهمی برای حفاظت از خود در برابر اثرات سمی یون های مس، در حالی که در تماس با سطح نانو ذرات مس هستند، ایجاد کرده­اند (شکل 3). مکانیسم احتمالی مقاومت باکتریایی به مس تشکیل تشکیل اندوسپورها است که به انتشار سریع آن کمک می کند. با این حال، پاسخ ضد میکروبی مس ، عمدتا در پاتوژن­های انسانی مورد بررسی قرار می گیرد.

بیشترین گونه باکتری ها مورد تجزیه و تحلیل در تماس با نانو ذرات مس C سخت، E. coli و P. aeruginosa است، که به طور قابل توجهی با اندازه ذرات بین 22 تا 90 نانومتر مهار می شوند، کاهش در قابلیت زیست سلول های حیاتی این میکروارگانیسم ها یافت می­شود. باکتری های گرم مثبت حساسیت بیشتری نسبت به نانو ذرات مس دارند و باکتری های گرم منفی با ROS (گونه­های اکسیژن انفعالی) با اندازه های متفاوت نانو ذرات مس مرتبط می شوند. این ویژگی ها می توانند از طریق سطح آزاد انرژی ذرات که به طور مستقیم با اندازه و مورفولوژی و pH درون سلول هامرتبط است هم تغییر کنند. اثرات ضد میکروبی به طور مستقیم به اندازه نانوذرات و حداقل غلظت مهار کننده (جدول 4) و میزان اکسیداسیون سطح مربوط می شود.

غشای سلولی میکروارگانیسم ها با محیط کشت ارتباط برقرار می کند، بنابراين فلزات نانو ذرات به ویژه نانو ذرات مس برخی از تعاملات را برای آزاد شدن یون های فلزی دارند که با فرآیندهای تکثیر دی ان ای، تشکیل سلول های جنبشی، تقسیم سلولی و غیره، از میکروارگانیسم های خاصی نظیر باکتری، که منجر به اثر ضد میکروبی می شود، مداخله می­کند. عمل مکانیسم نانو ذرات مس بوسیله تعامل آنزیم ها و گروه های -SH ایجاد کننده آسیب در دی ان ای و به دلیل تولید فشار اکسیداتیو رخ می دهد.

جدول 3: تکنیک های تشخیص و پاسخ به نانوذرات مس

شکل 3: مکانیسم عمل نانو ذرات مس در یک غشای باکتری.

جدول 4: حداقل غلظت مهاری (MIC) مربوط به اثر بیولوژیکی.

مقاومت باکتری ها به داروهای ضد میکروبی افزایش یافته است، و اکنون یکی از مهمترین چالش های بهداشت عمومی در جهان محسوب می شود. نانو ذرات مس یک استراتژی جدید علیه مقاومت ضد میکروبی مواد مخدر، کاهش اثرات ناسازگارسلولی را ارائه می دهند. در زمینه پزشکی به خوبی یک آنتی بیوتیک ممکن است عفونت های معمولی  در سیستم گردش خون، تنفسی و دستگاه گوارش نفوذ کند، همچنین به حفره دهان گسترش یافته است؛ حفره دهان برای طیف گسترده ای از میکروارگانیسم ها شامل باکتری ها، مخمر ها و ویروس های مرتبط با عفونت دهان محل سکونت فراهم می کند. باکتری ها اجزا غالب میکرو فلور ساکن و تنوع گونه های یافت شده در حفره دهان در دامنه های وسیع هستند. در حال حاضر گزارش شده است که ترکیب نانو ذرات مس با چسب­های ارتودنسی اثرات ضد باکتری قابل توجهی را در برابر باکتری­ها دارند، بدون تغییر دادن بریدن استحکام پیوستگی، مخالف  با افزودن به عنوان نانوفیلر، چسبندگی خواص خود را افزایش داد.

فناوری نانو یک روش مقرون به صرفه برای اعمال سطح معامله فلزات اکسید کننده نانوذرات فراهم می کند که به عنوان ماده ضد میکروبی استفاده می شوند. معامله نوآورانه نانوذرات می تواند دستگاه های ضد میکروبی پزشکی را تبدیل کند. مواد نانوساختار خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد نوید دهنده برای تجهیزات دندانپزشکی دارد. از جمله ویژگی های جالب، اندازه باریک، سطح بالایی، واکنش پذیری بالا، تعامل بیولوژیکی بالا و ساختار عملکردی هستند.