سنتز پودرهای شیمیایی با لیزر

[nafise sadeghi]

نگاه کلی

تابش لیزر ، امکان حرارت دهی سریع و فرونشانی بیشتری را از فرآیندهای متداول شیمی ، فراهم می‌سازد. بنابراین می‌توان آن‌را برای کنترل سینیتکی واکنشها بکار برد. سرامیکها ، گروهی از مواد هستند که از امکان گرمادهی سریع با لیزرهای پرتوان IR بهره‌مند می‌شوند. چند سال پیش در موسسه شیمی فیزیک مسکو و راسترم ری در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا ، تبدیل پودر گرافیت را به الماس برای اولین بار با استفاده از حرارت‌دهی سریع و فرونشانی توسط لیزر گزارش دادند. امروزه هم بسیاری از پودرهای شیمیایی مهم را با استفاده از لیزر سنتز می‌کنند.

تولید پودرهای ریز از طریق گرما لیزر

لیزرها را می‌توان برای تولید پودرهای ریز از طریق گرمایی از واکنشگرهای گازی ، بدست آورد. واکنشها ، عملا در محیط بدون دیوار انجام می‌شود. زیر منطقه داغ ، محدود به فضایی است که جریان واکنشگر گازی با پرتو لیزر برهمکنش می‌دهد. طراحی واکنشگاهها طوریست که این ناحیه داغ با هیچ سطحی در تماس نباشد. سرعت گرمادهی می‌تواند بیشتر از 106 درجه در ثانیه باشد و مهمتر اینکه ، سرعت گرمادهی و زمان دمای بالا را می‌توان برای تغییر فرآورده ، کنترل نمود. این تکنیک برای تهیه پودرهای بسیار ریز و نامتراکم‌تر در دماهای زیاد بکار می‌رود، بدون اینکه آلودگی سطحی در فرآورده‌ها ایجاد کند.

کاربرد پودرهای ریز

این پودرها در مطالعات کاتالیزوری بکار برده می‌شوند و یا در ساخت سرامیکهای صنعتی که خصوصیات مکانیکی بهتری در نتیجه فشرده شدن بهتر و فضاهای خالی کمتر دارند، به کلوخه تبدیل می‌گردند.

نمونه‌ای از پودرهای ریز سنتز شده با لیزر

پژوهشگران انستیتو تکنولوژی ماساچوست ، آلایدسیگنال و دوکمیکال لیزرها را در سنتز پودرهای فوق العاده ریز از ذرات سیلسیم ، کاربید ، نیترید سیلسیم ، نیترید بور ، بورید زیرکونیوم ، دی‌اکسید تیتانیوم و ذرات سیلسید آهن و همچنین کاربید آهن و کاربید تعدادی از فلزات واسطه بکار برده‌اند.

سنتز نیترید بور با لیزر

بور نیترید ، ترکیبی است که از هر دو دیدگاه علمی و عملی مورد توجه است. این ماده ، سه ساختار بلوری دارد: هگزاگونال ، ورتزیت و مکعبی بلاندروی. بسیاری از خصوصیات فیزیکی نیترید بور قابل قیاس با الماس است. از جمله این خصوصیات می‌توان به چگالی کم ، رسانش گرمایی زیاد ، مقاومت زیاد در برابر فرسودگی و مقاومتهای الکتریکی زیاد می‌باشند. نخستین رشد موفقیت آمیز نوارهای نیترید بور خالص هم بلور ، با گرمازایی لیزری بر روی بسترهای سیلسیمی بوسیله "گری دال" و همکارانش از دانشگاه میشیگان به انجام رسید.



روش سنتز

یک لیزر اگزایمر فلویورید کریپتون (248nm) بر روی هدفی از هگزا گونال نیترید بور (hBN) در یک محفظه خلاء با فشار نیتروژن 10 میلی‌تور متمرکز می‌گردد و از طریق مکانیزم گرمازایی لیزری نیترید بور مکعبی تولید می‌شود. بستر سیلسیمی در زمان ته‌نشینی در دمای° 500C نگهداشته می‌شود. پراش اشعه ایکس و بررسی با میکروسکوپ الکترونی عبوری ، نشان می‌دهد که نوار فیلمها از فلزات مکعبی خالص تشکیل یافته‌اند. فیلمها در حدود 1000°A ضخامت دارند، آزمایش برای رشد نوارهای ضخیمتر در جریان است.

جنبه اقتصادی سنتز

سنتز لیزری با پودرها ، باعث ایجادی محدوده‌ای وسیع از موادی شده که ساخت آنها بطور معمولی مشکل است. از نظر اقتصادی این امر بیشتر به هزینه مواد خام و گرمازا یا گرماگیر بودن واکنشها بستگی دارد تا هزینه مربوط به خود لیزر. سنتز نیترید سیلسیم بسیار خالص با استفاده از لیزرهای تجارتی موجود ، در حال حاضر با فراورش متداول از نظر اقتصادی رقابت می‌کند. نیترید سیلسیم پیوند یافته از طریق واکنش که از پودر سیلسیم سنتزی توسط لیزر ساخته شده است، 4 تا 5 برابر محکمتر از نوع معمولی است.

لیزرهای تجاری

از نظر اندازه ، هزینه و توانایی کار در محیطهای صنعتی ، لیزرهای CO2 که برای جوشکاری و برشکاری لیزری توسعه یافته‌اند، برای این گونه سنتزها ایده‌آل هستند.

پژوهشهایی برای آینده

در حال حاضر ، دانشمندان سعی می‌کنند پودرهایی را سنتز کنند که این پودرها دارای واکنش پذیریهای خوب و گزینش پذیری غیر عادی در مقایسه با مواد دارای اجزای معمولی باشند. مشخصه برتر این ترکیبات سنتزی با لیزر احتمالا اندازه کوچک ذرات و سطح زیاد به همراه خلوص خوب سطحی خواهد بود. بیشترین پژوهشها روی پودرهای سیلسیم و پودهای آهنی انجام گرفته است.