سنتز نانوذرات فلزی با رفتار مغناطیسی نجیب

فلزات نجیب مغناطیسی، این پتانسیل را دارند که کاربردهای علم مواد بر پایه نانومواد را در زمینه‌های مختلف از جمله کاتالیزگرها، خودآرایی و… به طور قابل ملاحظه‌ای توسعه دهند. پیش‌بینی شده که این ترکیبات انقلابی در عرصه علوم دارویی، به خصوص در زمینه‌های شناسایی مولکول‌های زیستی، کنترل کارآیی داروها و درمان سرطان ایجاد نماید. روش‌های متعددی ارائه شده‌اند که می‌توانند جهت سنتز فلزات نجیب مغناطیسی مورد استفاده قرار گیرند. از جمله‌ این روش‌ها می‌توان به گونه‌های پوشاننده، فرسایش لیزری، نانوقالب‌گیری به وسیله‌پلیمرها، و تعبیه در زئولیت‌ها اشاره نمود. روش‌های ذکر شده، تنها چند نمونه از روش‌های سنتزی ترکیبات یاد شده بوده و مسلماً روش‌های سنتز این ترکیبات تنها به روش‌های ذکر شده محدود نمی‌شوند. علیرغم ممان‌های مغناطیسی بالای به دست آمده در مورد این ترکیبات، برای یافتن کاربرد برای این ترکیبات، لازم است مقادیر بالایی از ترکیب مورد نظر مورد استفاده قرار گیرد تا به قدرت مغناطیسی مورد نظر برسیم. این امر موجب افزایش تقاضا برای یافتن روش‌های سنتزی برای این ترکیبات شده است. در اینجا دو مورد از روش‌های تهیه فلزات نجیب مغناطیسی آورده خواهد شد. روش‌هایی که ذکر خواهند شد به راحتی در دمای اتاق قابل انجام بوده، همچنین روش‌هایی سریع می‌باشند که می‌توان در یک ظرف واکنش انجام گیرند. قابلیت تولید مجدد، توان کنترل ابعاد ذرات از حد نانومواد تا حد میلیمتر از دیگر مزایای سنتز ترکیبات به روش‌های حاضر می‌باشد.

یافته‌های پیشین در مورد فلزات نجیب مغناطیسی بر روی نانوذرات و همچنین اشباع مقادیر مغناطیسی متمرکز می‌بودند؛ تا جایی که مقدار مغناطیس ۱۳ آمپرمترمربع‌برکیلوگرم گزارش شد که تقریباً در حد ۵ درصد آهن حجیم است. برخی روش‌های سنتزی منجر به تولید نمونه‌های (ابر)پارامغناطیس شدند، در حالی که مواد فرومغناطیس از طریق روش‌های دیگر به دست آمدند. هدف اساسی در تمام روش‌های موجود، کاهش فلزات واسطه مانند هگزاکلروپلاتین می‌باشد. در نتیجه شرایط آماده‌سازی، شدیداً ابعاد ذرات را تحت تأثیر خود قرار می‌دهد.

به عنوان مثال، هنگامی که نانوذره سنتز شد، به صورت خوشه‌ای درآمده و رسوب می‌کند، مگر اینکه به نحو مناسبی حفاظت شود. برای پیشگیری از رسوب نانوذرات، از روش‌هایی مانند قالب‌گیری به کمک میکروامولسیون، افزایش یک گونه پوشش‌ساز و… نانوذرات به طور همگن جدا شده به صورت یکنواخت تهیه می‌شوند.

روشی که در گروه تحقیقاتی دکتر کوپر به انجام رسیده، شامل کاهش فلز نجیب مانند هگزاکلروپلاتینات (H_۲PtCl_۶) استفاده شده که تحت شرایط استاندارد و به کمک ترکیبات مکاهنده مانند هیدرازین احیا شده‌اند. البته در روش گزارش شده، تفاوتی که با روش‌های استاندارد پیشین وجود دارد، حضور یک میدان مغناطیسی است. حضور این میدان به جهت کنترل خواص مواد سنتزی بوده است. میدان‌های قوی‌تر، منجر به تولید مواد فرومغناطیس شده؛ در حالی که غیاب میدان موجب شده ذرات سنتزی خواص مغناطیسی از خود بروز ندهند. نانوذرات دارای خواص مغناطیس که به طور همگن پراکنده شده‌اند به کمک قالب‌های میکروامولسیونی تهیه می‌شوند. این در حالی است که می‌توان در غیاب گونه‌های حفاظت‌کننده، ترکیبات خوشه‌ای از نانوذرات تهیه نمود.

شکل ۱. تصویر میکروگراف TEM از نانوذرات خوشه‌ای پلاتین مغناطیسی در حالت‌های بزرگنمایی و نمای نزدیک

در ابتدای انجام کار، با کمک تکنیک‌های ICP–AES, XRD, EDS عدم فعالیت مغناطیسی تأیید می‌شود. به طور تجربی اثبات شده که سنتز در غیاب میدان مغناطیسی منجر به خواص مغناطیسی در محصولات نخواهد شد. بررسی‌های نظری ممان مغناطیسی نانوذرات با ساختار‌های بلور ین شامل اتم‌های مغناطیسی را پیش‌بینی می‌نمایند. برای هر نانوذره، هر ساختار بلورین، ممان مغناطیسی قابل توجهی خواهد داشد؛ این مقدار برای ذرات بزرگ‌تر به مراتب کوچک‌تر از نانوذرات است. ساختارهای بلورین نانوذرات بررسی شده در این پ‍ژوهش که از فلزات مغناطیسی نجیب سنتز شده‌اند، تفاوت ساختاری قابل توجهی با ساختارهای بلورین فلزات حجیم ندارد. در حقیقت، تفاوت اصلی به خواص ویژه سطح نانوذرات بر می‌گردد. ناهمسانگردی سطح نانوذرات، دلیل اصلی ایجاد چنین میدان‌های بزرگی است؛ علی‌الخصوص در مورد ترکیباتی که در سایر حالات غیرمغناطیسی هستند. به عنوان مثال، استقرار المترون‌های سطح توسط نیروهای قوی (مثلاً در تیول‌ها و یا الکل‌ها) و یا ضعیف (مثلاً در آمین‌ها) با گونه‌های حفاظت کننده تشکیل پیوند داده، که موجب ایجاد نقص شبکه بلورین شدید شده، این نقص در شبکه‌بلورین دلیل ایجاد خاصیت مغناطیسی در نانوذرات فلزات نجیب می‌باشد. میدان حاصله، موجب جهت‌گیری آرایش و خودآرایی نانوذرات می‌شود، به گونه‌ای که با ارتقای خواص سطح، موجب تشدید خاصیت مغناطیسی می‌گردد.

این کار توسط گروه تحقیقاتی  دکتر کوپر در بخش مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی دلفت هلند انجام شده و در مجله معتبر لانگیمور با آدرس مقابل  Koper G. J. M., et.al, Langmuir ۲۰۱۱, ۲۷, ۷۷۸۳–۷۷۸۷ به چاپ رسیده است.