بخشی از مقاله
چکیده
امروزه مطالعه بر روي خواص آب گریزي و آب دوستی نانوساختارها به منظور دست یابی به سطوح خودتمیزشونده از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پژوهش، نانوساختارهایی با ابعاد 50 و60 نانومتر از جنس دي اکسید تیتانیوم و نقره به روش شیمیایی تر تهیه شده و بر روي زیرلایه هاي شیشه اي لایه نشانی شد. سپس زاویه تماس قطرات آب با این لایه ها مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تأثیر افزودن نانوذرات سیلیکا با قطر20‐50 نانومتر مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد افزودن نانوذرات سیلیکا تأثیر چندانی بر روي خاصیت آبدوستی ندارد. به علاوه تأثیر تابش نور فرابنفش بر روي لایه ها نشان داد که با تابش فرابنفش به مدت 300 دقیقه زاویه تماس به کمتر از 10 درجه کاهش می یابد. نتایج این پروژه می تواند در ساخت لایه هاي مؤثر ابر آب دوست کمک شایانی نماید.
مقدمه
دي اکسید تیتانیوم، ماده اي آب دوست است که بصورت متداول درسطوح خودتمیزشونده مختلف، بکارمی رود. دي اکسید تیتانیوم بازده بالایی در تجزیه آلودگی ها و آبدوستی دارد. این ماده غیر سمی، درغیاب نور از لحاظ شیمیایی خنثی و ارزان قیمت است. بعلاوه به عنوان رنگ دانه در لوازم آرایشی و رنگها و حتی به عنوان افزودنی در مواد غذایی بکار می رود.[1]دي اکسید تیتانیوم از اکسیدهاي فلزي است که سه فاز کریستالی دارد: آناتاس ، روتایل، بروکیت.[2]استفاده ازنانوذرات نقره در کنارنیمه رساناها، بدلیل پلاسمونهاي سطحی فلزات نجیب، سبب می شودکه فوتونهاي بیشتري جذب شده و در نتیجه خاصیت فتوکاتالیستی نیمه رسانا بیشتر شود.[3]
روش آزمایش
براي ساخت نانوساختار Ag@TiO2 ، از نمونه پودر نانوذرات اکسید تیتانیوم با اندازه25‐50 نانومتر و حلال اتیلن گلیکول محلولی با مولاریته 0.08 مولار اکسید تیتانیوم تهیه شد.به همین ترتیب محلول 0.04 مولار نیترات نقره و 0.09مولار PVP آماده شده است. استفاده از PVP باعث احیا شدن یونهاي نقره از نیترات نقره و ایجاد پوششی در اطراف نانو ذرات نقره و اکسید تیتانیوم می شود و در نتیجه از کلوخه شدن و رشد بیش از اندازه نانو ذرات جلوگیري می کند6 .[4] میلی لیتر محلول دي اکسید تیتانیوم درون بالون ریخته شده و در دستگاه الکتروترمال قرار داده شده است. زمانیکه محلول به دماي 110 درجه می رسد، دو محلول نیترات نقره وPVP با نرختزریق 0.429 به حلال تزریق می شوند. بعد از اتمام تزریق، در زمان حرارت دهی متفاوت قطره اي با حجم تقریبی50 میکرولیتر ازمحلول به عنوان نمونه برداشته شده و بر روي زیرلایه هاي شیشه اي که پیش از این، با الکل و آب مقطر شسته شده بودند، قرار گرفته که با چرخش زیرلایه در کل سطح زیرلایه پخش شده و با قرار گرفتن بر هیتردر دماي 50درجه سلسیوس خشک شده است.
نتایج و مباحث
به منظور پی بردن به شکل و اندازه نانوذراتAg@TiO2 از لایه هاي ساخته شده از نانوذرات با غلظتهاي AgNO3 , TiO 2 0.08M, 0.04M, PVP 0.09M تصاویر -HITACHI S - SEM-FE - - ٤١٦٠SEM - گرفته شد. که نتایج در شکل 1 آورده شده است. همانطور که در شکل دیده می شود یونهاي نقره بخاطر رسانش الکتریکی بیشتر، روشنتر دیده می شوند، نانوذراتی که به رنگ تیره دیده می شوند می تواند مربوط به نانوذرات اکسید تیتانیوم باشند. همچنین مشاهده می شود که سطح لایه هاي ساخته شده ناهموار بوده و از نانو ذرات با اندازه حدود 50 نانومتر تشکیل شده است. به منظور تعیین ساختار نانوذرات Ag@TiO2 از لایه ساخته شده طیف پراش پرتو ایکس - Panalytical X’pertpro - تهیه شد.
در شکل2 ، Aبیانگر فاز آناتاس و R بیانگر فاز روتایل دي اکسید تیتانیوم است. دیده می شود که بیشترین پراش از صفحات - - 111 مربوط به نقره با شبکه FCC و صفحه - 004 - مربوط به فاز آناتاس دي اکسید تیتانیوم با شبکه بلوري تتراگونال است. به منظور بررسی تأثیر زمان حرارت دهی، پس از اتمام تزریق در زمان متفاوت مقداري از محلول برداشته و روي زیرلایه شیشه اي لایه نشانی شد. شکل 3 تأثیر زمان حرارت بر روي زاویه تماس قطره با زیرلایه را نشان می دهد. دیده می شود که بلافاصله بعد از اتمام تزریق زاویه تماس 28 درجه است و با گذشت زمان و تشکیل نانوذرات Ag@TiO2 زاویه تماس افزایش می یابد و به حدود 45 درجه می رسد.
در اثر حرارت دهی بیشتر از 10 دقیقه زاویه تماس قطره آب به 35 درجه کاهش می یابد. با گذشت زمان نقره بیشتري اطراف نانوذرات دي اکسید تیتانیوم را می پوشاند که در اثر آن ناهمواري هایی در سطح خواهیم داشت که منجر به افزایش زاویه تماس می شود. با گذشت زمان این ساختارها کلوخه می شوند و ناهمواري ها شدیدتر می شوند و زاویه تماس مجددا کاهش می یابد. در مرحله دوم آزمایش ها، نانوذرات سیلیکا نیز به ساختار اضافه گردید. براي این منظور محلول سیلیکا با غلظت 0.049 مولار حاوي نانوذرات با ابعاد50نانومتر، تهیه و به محلول 0.08مولار دي اکسید تیتانیوم اضافه شد لایه ي حاوي نانوساختارهاي نقره و دي اکسید تیتانیوم و لایه حاوي و مراحل قبلی آزمایش تکرار شد.
در شکل4 تغییرات زاویه تماسی قطره آب با لایه هاي ساخته شده که حاوي نانوذرات سیلیکا هستند، نسبت به مدت زمان حرارت دهی نشان داده شده است. بیشینه زاویه تماسی به ازاي 10 دقیقه بعد از اتمام تزریقشودمشاهده می . شکل5 تصویر SEM لایه اي که حاوي نانوذرات سیلیکا نیز هست را نشان می دهد. همانطور که از شکل نیز مشخص است، نانوساختارهاي کروي و یا مکعبی بیشتري در حضور سیلیکا تشکیل شده است. نانوذرات روشن موجود در تصویر مربوط به نانوذرات نقره و نانوذرات تاریک مربوط به نانوذرات اکسید تیتانیوم و سیلیکا است. در این حالت نانوساختارها اندازه اي در حدود 60 نانومتر دارند.
از لایه هاي فوق، طیف پراش پرتو ایکس تهیه شد که نتایج در شکل 6 نشان داده شده است. نانوذرات سیلیکا داراي ساختار بلوري تتراهدرال بوده و پراش مربوط به صفحات - 100 - , - 220 - را نشان می دهد. از طرفی نقره با ساختار FCC قله هاي پراش مربوط به صفحات - - 111 - , - 200 - , - 311 - , - 220 را نشان می دهد. قله پراش مربوط به صفحه - 004 - فاز آناتاس بیشترین ارتفاع پراش را دارد. فاز روتایل نیز دو قله پراش مربوط به صفحات - 110 - , - 112 - دارد. لازم به ذکر است که فاز آناتاس و روتایل دي اکسید تیتانیوم ساختار بلوري تتراگونال دارند.تاثیر تابش فرابنفش بر آبدوستی لایه هاي ساخته شده نانو ساختارهاي سیلیکا، دي اکسید تیتانیوم و نقره به مدت 5 ساعت در معرض تابش نور فرابنفش - لامپ جیوه - قرار گرفتند.
شکل7 نحوه تغییر زاویه تماس این لایه ها در اثر تابش نور فرابنفش را نشان می دهد. مشاهده می شود که در لایه اي که تنها از نانوساختارهاي دي اکسید تیتانیوم ونقره تشکیل شده کاهش زاویه تماس در اثر تابش نور فرابنفش سریع تر و بیشتر بوده و به سطحی فوق آب دوست تبدیل می شود که این نتیجه با گزارشات Qian Feng Xu و همکارانش[5] توافق دارد. اما در لایه اي که سیلیکا نیز در آن بکار رفته است، این تغییرات کند تر بوده و به اشباع می رسد، به گونه اي که سطح همچنان آب دوست می ماند. تحریک نانوذرات دي اکسید تیتانیوم با پرتو نورفرابنفش زوج الکترون -حفره در سطح ماده بوجود می آورد. مواد آب دوست معمولا داراي پیوند قطبی بوده می توانند.
