پاورپوینت معرفی روش­ مایکروویو و کاربرد آن در سنتز نانومواد

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

معرفی روش­ مایکروویو و کاربرد آن در سنتز نانومواد

اسلاید 2 :

روش های سنتز نانو ساختارها
رسوب دهی از فاز مایع
هشتم

اسلاید 3 :

مقدمه

امواج مایکروویو (Microwave) ناحیه­ای از امواج الکترومغناطیس هستند که در محدوده فرکانسی MHz 300 تا GHz 30 گسترده شده­اند. بیشترین کاربرد این امواج در حوزه ارتباطات (Communications) و همچنین برای فرایند گرمایش (Heating) می­باشد. از نظر تاریخی برهمکنش موثر امواج مایکروویو با مواد مختلف در سال 1946 و با ذوب کردن شکلات با استفاده از این امواج شناخته شد و به گرمایش با مایکروویو (Microwave Heating) معروف گردید.

اسلاید 4 :

کاربردها

در حوزه ارتباطات معمولا از یک موج مایکروویو با فرکانس، فاز و شدت تنظیم شده و مشخص برای حمل و جابجایی اطلاعات بهره گرفته می­شود. این در حالی است که اساس استفاده از این امواج برای مقاصد گرمایشی، برهمکنش میان مؤلفه الکتریکی امواج مایکروویو (با توان و شدت مناسب) و ترکیبات مختلف است که به صورت یک پاسخ دی الکتریک خود را نمایان می­کند و موجب ایجاد گرما می­شود. از همین رو به گرمایش با مایکروویو، گرمایش دی الکتریک (Dielectric Heating) نیز گفته می­شود (هرچند به عقیده برخی افراد به دلیل مکانیسم های متعدد پیشنهاد شده این یک لفظ نادرست است).

اسلاید 5 :

شیمی مایکروویو

گرمایش با استفاده از مایکروویو یکی از مهمترین کاربردهای این امواج به شمار می­آید. این کاربردی است که در چند دهه اخیر به خوبی در انجام واکنش­های شیمیایی مختلف مورد استفاده قرار گرفته است و موجب پدیدار شدن شاخه­ای از علم شیمی به نام "شیمی مایکروویو" شده است. انرژی امواج مایکروویو در مطالعه بسیاری از واکنش­های شیمیایی جدید مورد استفاده قرار گرفته و نشان داده شده است که استفاده از این امواج عموما سینتیک (تئوری بررسی سرعت واکنش­ها) و گزینش پذیری (Selectivity) واکنش­ها را به صورت مطلوبی تغییر می­دهد.

اسلاید 6 :

شیمی مایکروویو

برهمکنش­های دوقطبی (Dipole Interactions)
هدایت یونی (Ionic Conduction)
هر دو مکانیزم نیازمند جفت شدن (Coupling) موثر میان اجزای تشکیل دهنده ترکیب هدف و میدان الکتریکی در حال نوسانِ امواج مایکروویو هستند.

شیمی مایکروویو بر اساس این حقیقت بنا شده است که مواد، ترکیبات، حلال­ها یا واکنشگرها قادر هستند امواج مایکروویو را جذب نموده (در اکثر کاربردهای صنعتی، علمی و پزشکی عموما از دستگاه­هایی با فرکانس 45/2 گیگاهرتز استفاده می­شود) و آن را به گرما تبدیل نمایند.

اسلاید 7 :

برهمکنش­های دوقطبی

برهمکنش­های دوقطبی برای مولکول­های قطبی رخ می­دهد. در اثر عبور امواج مایکروویو از مجاورت مولکول­های قطبی، دو انتهای قطبی این مولکول­ها شروع تغییر وضعیت (Re-Orientation) و نوسان خواهند نمود که همگام با نوسان میدان الکتریکی امواج مایکروویو است. این نوسان در مولکول­ها منجر به افزایش برخوردهای بین مولکولی و در نتیجه افزایش دما خواهد شد و هر چه مولکول قطبی­تر باشد بهتر با میدان ناشی از امواج مایکروویو جفت خواهد شد.

اسلاید 8 :

هدایت یونی

هدایت یونی نیز در اساس شبیه به برهمکنش­های دوقطبی است و تفاوت خیلی اندکی با آن دارد. یون­ها ذرات بارداری هستند که در محلول پخش شده­اند و می­توانند با میدان الکتریکی   ناشی از امواج مایکروویو جفت شوند و دامنه حرکت خود را افزایش دهند که این هم منجر به افزایش برخوردها و افزایش دما خواهد شد.
. پس می­توان انتظار داشت که غلظت یون­ها اثر قابل توجهی بر روی بازده گرمایش با استفاده از امواج مایکروویو داشته باشد.

اسلاید 9 :

تاثیر میدان الکتریکی متناوب ناشی از امواج مایکروویو بر گونه­های قطبی و یون­ها

اسلاید 10 :

توجه!!!

ذکر این نکته در اینجا لازم است که بعضی وقت­ها گفته می­شود امواج مایکروویو با یک مکانیسم دیگر نیز قادر گرم کردن ترکیبات هستند. این مکانیسم که تحت عنوان اتلاف مغناطیس (Magnetic Loss) شناخته می­شود تنها برای برخی ترکیبات با خواص مغناطیسی مشخص، از جمله اکسیدهای فلزی رخ می­دهد و طی آن در محدوده امواج مایکروویو این ترکیبات خصلت مغناطیسی خود را از دست می­دهند که خود را به صورت گرما ظاهر می­سازد. از همین رو برخی عقیده دارند که به کار بردن لفظ گرمایش دی الکتریک برای فرایند گرمایش به وسیله امواج مایکروویو لفظ صحیحی نمی­باشد.

اسلاید 11 :

تئوری

در شرایط عملی میزان تبدیل انرژی الکترومغناطیسی به گرما به میزان گذردهی (Permittivity) یا * وابسته خواهد بو که به صورت یک عدد مختلط بوده و با رابطه زیر نشان داده می­شود:

’ گذردهی حقیقی (Real Permittivity) یا ثابت دی الکتریک نام دارد و نشان دهنده توانایی یک ترکیب در قطبیده شدن در اثر یک میدان الکتریکی خارجی است.

’’ مؤلفه اتلاف دی الکتریک (Dielectric Loss Factor) می باشد که بازدهی تبدیل انرژی الکترومغناطیس به گرما یا به عبارتی میزان جذب امواج توسط ترکیب مورد نظر می­باشد.

اسلاید 12 :

تئوری

برخی اوقات برای محاسبه میزان اتلاف از ترکیب خطی ثابت دی الکتریک و مؤلفه اتلاف دی الکتریک استفاده شده و مؤلفه دیگری تحت عنوان تانژانت اتلاف (Loss Tangent) یا tan  معرفی می­گردد که توسط معادله ساده شده زیر به دست می­آید:

مقدار tan  به سادگی به ظرفیت یک ترکیب برای گرمایش ارتباط داده می­شود و هر چقدر بزرگتر باشد ظرفیت آن ترکیب برای گرم شدن توسط امواج مایکروویو بیشتر خواهد بود.

اسلاید 13 :

خصوصیات گرمایش با مایکروویو

اسلاید 14 :

توزیع گرمای ویژه

اسلاید 15 :

فوقگرمایش

نقطه جوش حلال مورد استفاده برای انجام یک واکنش شیمیایی یکی از مهمترین پارامترها در سنتزهای شیمیایی است. در گرمایش با مایکروویو ممکن است حتی زمانی که حلال در دمای جوش خود باشد، به جوش نیاید و در این حالت گفته می­شود که محلول در یک شرایط شبه پایدار (Meta-Stable) قرار دارد. از نظر تئوری و عملی، یک حلال تنها زمانی به جوش می­آید که در تماس با بخار خودش باشد و از این رو اگر در مجاورت فاز مایع، بخاری از جنس خودش وجود نداشته باشد می­توان آن را بدون اینکه شروع به جوشیدن نماید، به دمایی بالاتر از نقطه جوشش رساند که به این پدیده فوقگرمایش می­گویند. از آنجا که در هنگام گرمایش با مایکروویو، محلول با سرعت زیاد از داخل گرم میشود ، ایجاد بخار از محلول با کمی تاخیر صورت می­گیرد و از این رو با استفاده از مایکروویو می­توان پدیده فوق گرمایش را در یک محلول ایجاد نمود

اسلاید 16 :

گزینش پذیری در گرمایش

گرمایش با مایکروویو تنها برای برخی گونه­ها رخ می­دهد و در نتیجه فرایندی گزینش پذیر (Selective) محسوب می­شود. این یکی از بارزترین خصوصیات گرمایش با مایکروویو است و می­تواند نقش به سزایی در طراحی سنتزهای شیمیایی داشته باشد.

یک نمونه مهم از واکنش­های گزینش پذیری

واکنش­های کاتالیزوری است و می­توان با طراحی سیستم، کاری کرد که تنها کاتالیزور گرم شود و دمایی بالاتر از محلول واکنش پیدا کند.

اسلاید 17 :

سنتز نانومواد با استفاده از مایکروویو