سنتز دقیق نانوذرات با فناوری ریزسیالگریز فوق سریع
به گزارش صنایع نو، یک سیستم آزمایشگاه-روی-دیسک امکان انجام ۹۰ سنتز دقیق و قابل تکرار نانوذرات را در عرض چند دقیقه فراهم می‌کند. این سیستم با کنترل خودکار غلظت واکنش‌گرها در واکنش‌های موازی و با حداقل ورودی دستی، انقلابی در این زمینه ایجاد کرده است.
(نیوزرک اسپاتلایت) ایجاد یک کتابخانه از نانوذرات با اشکال یا اندازه‌های کمی متفاوت معمولاً مستلزم آماده‌سازی ده‌ها لوله واکنش جداگانه، اندازه‌گیری دستی واکنش‌گرها و تکرار مراحل مخلوط کردن تحت شرایط کنترل‌شده دقیق است. این فرآیند پرزحمت، وقت‌گیر و اغلب ناسازگار است، به ویژه زمانی که واکنش‌ها به زمان‌بندی یا گرادیان غلظت حساس هستند. خطاهای کوچک در پیپت کردن یا مخلوط کردن می‌توانند منجر به تغییرات بزرگی در ساختار یا عملکرد ذرات شوند و پیشرفت در کشف و غربالگری مواد را کند کنند.
محققان با کوچک‌سازی گردش کار سنتز سعی در حل این گلوگاه داشته‌اند. سیستم‌های ریزسیال‌شناختی کنترل دقیقی بر حجم مایعات و زمان‌بندی واکنش ارائه می‌دهند، اما اکثر آنها به زیرساخت‌های پیچیده‌ای مانند پمپ‌های خارجی، لوله‌ها یا تراشه‌های سفارشی نیاز دارند. همچنین این سیستم‌ها برای انجام واکنش‌های موازی زیاد مناسب نیستند. روش‌های غربالگری با توان بالا وجود دارند، اما اغلب به ورودی دستی قابل توجه یا تجهیزات تخصصی نیاز دارند و مقیاس‌پذیری آنها دشوار است.
راهکار جدید: ریزسیالگریز گریز از مرکز
ریزسیالگریز گریز از مرکز رویکردی در دسترس‌تر ارائه می‌دهد. این سیستم‌ها از چرخش برای ایجاد فشار استفاده می‌کنند و امکان کنترل دقیق مایع را بدون نیاز به پمپ‌های خارجی فراهم می‌کنند. با این حال، تاکنون استفاده از آنها عمدتاً بر تشخیص و آماده‌سازی نمونه متمرکز بوده است تا سنتز شیمیایی.
تحولی در سنتز نانومواد
یک مطالعه جدید منتشر شده در مجله Advanced Functional Materials ("از چرخش تا ستاره: ریزسیالگریز دوگانه گرادیان فوق سریع برای سنتز ترکیبی و با توان بالا نانومواد مقیاس‌پذیر") تحول بزرگی در این زمینه نشان می‌دهد. محققان دانشگاه کیونگ هی کره جنوبی یک پلتفرم ریزسیالگریز گریز از مرکز فشرده توسعه داده‌اند که ۹۰ سنتز منحصر به فرد نانومواد را در کمتر از ۳ دقیقه و تنها با شش مرحله پیپت کردن و بدون قطعات متحرک انجام می‌دهد.
طراحی نوآورانه دستگاه DC UltraScreen 90
این دستگاه که DC UltraScreen 90 نام دارد، یک کارتریج دیسکی شکل با دو لایه محفظه و کانال است. عملکرد آن بر اساس یک اصل ساده است: هنگام چرخش، نیروی گریز از مرکز مایع را از مخازن بزرگتر به ده‌ها محفظه واکنش کوچکتر می‌راند. دستگاه از یک طراحی مبتنی بر سیفون برای کنترل دقیق زمان و میزان پر شدن هر محفظه استفاده می‌کند. این مکانیسم از جریان زودرس جلوگیری کرده و امکان تحویل دقیق حجم در تمام ۹۰ واحد واکنش در یک چرخش را فراهم می‌آورد.
سیستم دوگانه گرادیان: ویژگی کلیدی
شش مخزن ورودی حاوی واکنش‌گر یا رقیق‌کننده هستند که به شبکه‌ای از ریزکانال‌ها تغذیه می‌شوند. یک چرخش با سرعت بالا (۴۰۰۰ دور در دقیقه) هر محفظه را با مقادیر دقیقی پر می‌کند. سپس یک چرخش با سرعت کمتر (۲۰۰۰ دور در دقیقه) محتویات را به آرامی مخلوط کرده و واکنش‌ها را بدون اختلال در فرآیند تشکیل ذرات آغاز می‌کند. این عملیات دو مرحله‌ای یکنواختی واکنش‌ها را تضمین کرده و از تجمع یا رسوب زودرس که می‌تواند بر کیفیت واکنش تأثیر بگذارد، جلوگیری می‌کند.
کاربرد عملی: سنتز نانوذرات نقره
برای نشان دادن قابلیت‌های این پلتفرم، تیم تحقیقاتی از آن برای سنتز نانوذرات نقره استفاده کرد. در غلظت‌های پایین اسید اسکوربیک و سیترات سدیم، ذرات به شکل کره‌های ساده تشکیل شدند. با افزایش غلظت اسید اسکوربیک، ذرات شروع به کشیده شدن و تشکیل خار کردند. زمانی که هر دو ورودی در غلظت‌های بالا بودند، نتیجه تشکیل نانستاره‌های نقره‌ای بود - ذرات شاخه‌دار پیچیده‌ای با خواص نوری و کاتالیستی مفید. این روندها در چندین اجرا تکرارپذیر بودند که قابلیت اطمینان سیستم را تأیید می‌کرد.
مزایای کلیدی پلتفرم
- کاهش قابل توجه زحمت کاربر با تنها شش مرحله پیپت کردن و بدون نیاز به پردازش پس از آن
- هزینه کمتر از پنج دلار برای هر دیسک چاپی
- امکان مونتاژ کل سیستم شامل موتور و منبع تغذیه با کمتر از دویست دلار
- مناسب برای آزمایشگاه‌هایی که فاقد زیرساخت‌های پیشرفته اتوماسیون یا سنتز هستند
- انعطاف‌پذیری در پیکربندی برای بارگیری متوالی یا واکنش‌های زمان‌بندی شده
چالش‌ها و محدودیت‌ها
این پلتفرم برای همه سنتزهای شیمیایی قابل استفاده نیست. این سیستم بیشتر برای واکنش‌های فاز مایع در شرایط محیطی طراحی شده و عمدتاً برای غربالگری مناسب است تا تولید در حجم بالا. واکنش‌هایی که به گرما، اتمسفر بی‌اثر یا مسیرهای چندمرحله‌ای پیچیده نیاز دارند، ممکن است به توسعه بیشتری نیاز داشته باشند. با این حال، معماری سیستم انعطاف‌پذیر است و می‌تواند با تنظیم محلول‌های ورودی و چیدمان محفظه‌ها، واکنش‌گرها، پروفیل‌های گرادیان یا قالب‌های واکنش دیگری را پشتیبانی کند.
آینده پژوهش‌های نانومواد
DC UltraScreen 90 به طور مستقام به یکی از چالش‌های اصلی در تحقیقات نانومواد - یعنی دشواری ترسیم سریع و قابل اعتماد فضای شیمیایی - می‌پردازد. با ترکیب دقت ریزسیال‌شناسی و سادگی عملکرد گریز از مرکز، این سیستم سنتز سریع با کنترل دقیق و بار کاربری کم را ممکن می‌سازد. توانایی آزمایش تأثیر تغییرات فرمولاسیون بر مورفولوژی ذرات تحت شرایط کنترل‌شده دقیق، برای پیشرفت در کشف مواد در مقیاس نانو ضروری است.
این پژوهش نشان می‌دهد که سیستم‌های ریزسیال‌شناسی، در صورت طراحی دقیق، می‌توانند فراتر از تشخیص و آماده‌سازی نمونه، در ساخت مواد نیز نقش فعالی ایفا کنند. این پلتفرم راه‌حلی کم‌هزینه، قابل تکرار و مقیاس‌پذیر برای محققان در زمینه سنتز نانوذرات، کاتالیز و کاربردهای مرتبط ارائه می‌دهد.
نظرات کاربران
هنوز نظری ثبت نشده است.