بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش بطور خلاصه به سازوکار فرآیندهای کندوسوز، خرد شدن و ذوب شدن لیزری در محیط مایع پرداخته شد. مهمترین مزیت روش کندوسوز لیزری در محیط مایع، تولید نانو ساختارها با درصد خلوص بالا است. این روش برای تغییر ساختار، کنترل آبدوستی، تغییر بلورینگی، تغییر ریخت شناسی و تولید نانو ذرات بکار برده میشود.
مقدمه:
در تقسیم بندی کلی، نانوبلورها به دو روش فیزیکی و شیمیایی سنتز میشوند. روشهای شیمیایی بر پایهی واکنش پیش ماده هستند و در نتیجه تاثیر منفی اجتناب ناپذیری بر خلوص دارند که در کاربردهای زیست پزشکی و کاتالیستی باید فرآیندهای دیگری برای خلوص نانو ذرات تولید شده به این روش انجام شوند. استفاده از روشهای فیزیکی مزایای فراوانی نسبت به روشهای شیمیایی دارند. توسط این فرآیندها میتوان نانوبلورها با درجهی خلوص بالا سنتز کرد. عمدهترین روشهای فیزیکی، روش گاز بی اثر، تخلیهی قوس الکتریکی، کندوپاش یونی، کندوسوز لیزری و افشانهی پیرولیز می باشند
از جمله کاربردهای کندوسوز لیزری در محیط مایع میتوان به تغییر ساختار، تغییر ریخت شناسی، ساخت نانوذرات، کنترل آبدوستی و بلورینگی اشاره کرد. بطور مثال، ژاله و همکاران با تابش لیزر اگزایمر ArF بر روی پلیمر CR-39 شاهد تشکیل ساختار مخروطی بر روی سطح پلیمر بودند.
همچنین ساخت نانوذرات نیکل با روش کندوسوز لیزری در محیط مایع توسط ژاله و همکاران در سال 2012 گزارش شده است.[3] چن وهمکاران رطوبت پذیری سطح ویفر سیلیکون را بعد از پرتودهی با لیزر فمتوثانیه مطالعه کردند که در این پژوهش، الگوی ایجاد شده در سطح سیلیکون با آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی و تغییر در آبدوستی برای نمونههای پرتودهی شده در زمان های مختلف بررسی شدند.
بحث و بررسی
در طی چند دههی گذشته، مطالعات زیادی در زمینههای پردازش مواد به وسیلهی لیزر انجام شده است. سنتز و پردازش لیزری کلوئیدها به سه دستهی کلی تقسیمبندی میشود. این سه دسته شامل کندوسوز لیزری در مایع1 ، خرد شدن لیزری در مایع2 و ذوب شدن لیزری در مایع3 است - شکل. - 1 هر سه دسته بصورت بین رشتهای به رشتههای شیمی و فیزیک ارتباط دارند. سنتز و پردازش لیزری، روشی قابل کنترل و انعطاف پذیر میباشد.
شکل. 1 سازوکار سنتز و پردازش لیزری: کندوسوز لیزری در مایع - - LAL، خرد شدن لیزری در مایع - - LFL ، ذوب شدن لیزری در مایع - .[1] - LML
به دلیل بالا بودن هزینهی سیستمهای لیزری، هزینهی روش کندوسوز لیزری در مایع نسبت به روش شیمیایی بیشتر به نظر میرسد. اما با توجه به نیاز به خالص سازی در روش شیمیایی که با استفاده از سانتریفیوژ و تجهیزات بسیار گران قیمتتر انجام میشود، روش کندوسوز لیزری در مایع به لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفهتر میباشد. علاوه بر این خلوص و سادگی اجرا مهمترین مزیت آن نسبت به روش شیمیایی است.
با توجه به پارامترهای دخیل در سنتز لیزری - شامل: هدف، حلال، دما و فشار سیستم - و همچنین پارامترهای دستگاه لیزر - شامل: عرض پالس، انرژی پالس، نرخ تکرار و تعداد پالسهای لیزر - این روش برای گسترهی وسیعی از مواد قابل استفاده است. در میان روشهای کندوسوز لیزری در محیطهای خلأ ، گاز و مایع، محیط مایع محیطینسبتاً ایمن برای سنتز لیزری میباشد، چون بخار پخش شده در هوا سلامت محققان را به خطر میاندازد. در واقع کندوسوز لیزری حاصل دینامیک پدیدهی برهم کنش لیزر-مواد است.
هنگامیکه پرتوی لیزر با توان بالا به یک هدف مادی میتابد پلاسمایی با دما و فشار بالا و حباب حفره ساز1 روی سطح هدف تشکیل خواهند شد. همزمان با فروپاشی پلاسما، با انتقال انرژی به مایع لایهای از بخار تشکیل میگردد. گونههای کندگی شامل یونها، خوشههای اتمی و اتمها میتوانند با مایع اطرافشان در درون حباب واکنش دهند. واکنشهای شیمیایی میتوانند تا چند میکروثانیه - کمتر از عمر حباب حفره ساز - ادامه داشته باشند. حباب حفره ساز رفتاری متناوب به صورت انقباض و انبساطی دارد تا زمانیکه منجر به فروافت آن شود. اولین فروافت آن باعث ایجاد اولین موج ضربه میشود که بازتاب این موج ضربه از سطح هدف سبب شکلگیری موجهای صوتی خواهد شد . مفاهیم فیزیکی فرآیند کندوسوز هنوز در حال تکمیل است.
استفاده از این فرآیند برای تولید نانوبلورها به دلیل درک بهتر حالت فیزیکی، دینامیک مواد کنده شده و مکانیسم تشکیل نانوبلورها، راحتتر است. دستگاههای لیزر برای کندوسوز لیزری در مایع باید طول موجی در محدوده فرابنفش - به این شرط که مایع برای این ناحیه شفاف باشد یا به عبارت دیگر جذب آن بسیار پایین باشد - ، مرئی و مادون قرمز نزدیک داشته باشند.
شار لیزر باید حدود 0/1-100 J⁄cm2 و عرض پالس آن میتواند فمتوثانیه، پیکوثانیه، نانوثانیه، میکروثانیه، میلیثانیه و حتی موج پیوسته2 باشد. اما باید توجه داشت که لیزرهای پیوستهی امروزی در محدودهی ثانیه هستند، به همین دلیل استفاده از این لیزرها باعث داغ شدن هدف و در نهایت به جوش آمدن مایع خواهد شد. بنابراین معمولاً لیزرهای پالسی برای کندوسوز لیزری در مایع استفاده میشوند. در روش کندوسوز لیزری میتوان عناصر موجود در پلاسمای ایجاد شده را حین انجام فرآیند با استفاده از طیف پلاسمایی بدست آمده از اسپکتروسکوپی همزمان تعیین کرد - شکل.[3] - 2 بطور مثال، ژاله و همکاران در مطالعهی تغییر ساختار آلیاژهای آمورفی با کندوسوز لیزری از این روش استفاده کردند - شکل.
شکل.2 طرحوارهی چیدمان آزمایشی کندوسوز لیزری برای مطالعهی طیف پلاسمایی.
شکل.3 طیف پلاسمایی گسیل شده توسط لیزر پالسی.
در مطالعهی اخیر نیز کندوسوز لیزری سیلیکون در سوسپانسیون اکسید گرافن-ان-متیل-دو-پیرولیدون با انرژیهای مختلف پالس لیزر بررسی شد. در این تحقیق از دستگاه پراش اشعهی ایکس با چشمهی CuK ساخت شرکت ایتالیا ITALSTRUCTURE مدل ADP 2000 واقع در دانشگاه بوعلی سینا استفاده شد.
