تطبيق الرش الانحلال بالموجات فوق الصوتية في تحضير المواد النانوية؟

الرش بالذرات بالموجات فوق الصوتية (UAS) عبارة عن تقنية تستخدم الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية لتقسيم المواد الخام السائلة إلى قطرات بحجم ميكرون/نانومتر-، والتي يتم بعد ذلك نقلها إلى الركيزة أو منطقة التفاعل عبر غاز حامل. يتم بعد ذلك تحضير المواد النانوية من خلال التجفيف أو التلبيد أو التفاعلات الكيميائية. تكمن مزاياه الأساسية في حجم القطرة الموحد (حتى 1-10 ميكرومتر)، وسمك الطلاء الدقيق الذي يمكن التحكم فيه (مستوى نانومتر- ميكرومتر)، وعدم وجود أضرار ميكانيكية، والاستخدام العالي للمواد الخام. لقد تم تطبيقه على نطاق واسع في تحضير الأغشية النانوية، والمساحيق النانوية، والمواد المركبة النانوية، وهو مناسب بشكل خاص للمجالات المتطورة مثل الإلكترونيات الدقيقة، والطاقة الجديدة، والطب الحيوي.

 

1. تصنيع الأفلام النانوية (معظم التطبيقات السائدة)

سيناريوهات التطبيق:

◆أشباه الموصلات/الأجهزة الإلكترونية: الأغشية النانوية الموصلة (مثل ITO، والجرافين، وأفلام أنابيب الكربون النانوية)، والأفلام العازلة، والطلاءات المقاومة للضوء؛

◆الطاقة الجديدة: أفلام قطب بطارية الليثيوم-الأيونية (سيليكون النانو، وطلاءات فوسفات الحديد الليثيوم)، وأغشية تبادل البروتونات لخلايا الوقود (تعديل فيلم نافيون)، وطبقات امتصاص ضوء الخلايا الشمسية (أفلام النقاط الكمومية)؛

◆ الطلاءات الوظيفية: أفلام عازلة للحرارة -شفافة (طبقات nanoTiO₂، ZrO₂)، أفلام مضادة للبكتيريا (الفضة النانوية، طلاءات أكسيد الزنك)، أفلام التنظيف الذاتي- (طبقات nanoSiO₂ كارهة للماء).

المزايا التقنية:

◆ توحيد الفيلم بشكل ممتاز: حجم القطرة الموحد يتجنب عيوب الطلاء (مثل الثقوب والشقوق) الناجمة عن "تراكم القطرات" في الرش التقليدي؛

◆ سُمك دقيق ويمكن التحكم فيه: يمكن تحقيق سمك الطلاء بمقياس النانو إلى الميكرومتر - (على سبيل المثال، 10 نانومتر -5 ميكرومتر) عن طريق ضبط تردد الانحلال (20-180 كيلو هرتز)، ومعدل تدفق السائل (0.1-10 مل/دقيقة)، ووقت الرش؛

◆ درجة حرارة منخفضة-التحضير: تسمح الطاقة الحركية المنخفضة عندما تؤثر القطرات على الركيزة بالتحضير في درجة حرارة الغرفة أو درجات الحرارة المتوسطة إلى المنخفضة (<200℃), making it suitable for flexible substrates (such as PET, PI films) or thermosensitive materials (such as biomacromolecules, quantum dots).

الحالات النموذجية:

◆فيلم موصل شفاف من الجرافين: يتم تشتت تشتت الجرافين بالموجات فوق الصوتية ورشه على زجاج أو ركيزة مرنة من مادة PET. بعد التجفيف بدرجة حرارة منخفضة-، يتم استخدام طبقة مقاومة للطبقة<100 Ω/□ and a light transmittance >تم تشكيل 90%، ومناسبة لشاشات اللمس وأجهزة العرض المرنة؛

◆طبقة الأنود المعتمدة على بطارية الليثيوم- والسيليكون-: يتم رش تشتت جسيمات السيليكون النانوية- على ركيزة من رقائق النحاس لتكوين طبقة موحدة تعتمد على السيليكون- (سُمك 500 نانومتر -2 ميكرومتر)، مما يؤدي إلى تحسين سعة البطارية واستقرار الدورة.

2. تحضير مسحوق النانو

سيناريوهات التطبيق:

◆المساحيق النانوية المعدنية/السبائكية (على سبيل المثال، نانو-الفضة والنحاس ومسحوق النيكل): تستخدم في المعاجين الموصلة والمحفزات والمواد الخام للطباعة ثلاثية الأبعاد؛

◆مساحيق أكسيد النانو (على سبيل المثال، TiO₂، ZnO، Al₂O₃ مسحوق): تستخدم في المواد المحفزة ضوئيًا، والمواد الخام الخزفية، والمواد المضافة للطلاء؛

◆المساحيق النانوية المركبة (على سبيل المثال، Fe₃O₄@SiO₂، مسحوق النقطة الكمومية): تستخدم في الاستشعار الحيوي، ومسابير الفلورسنت، ومواد التخزين المغناطيسية.

المزايا التقنية:

◆ حجم جسيمات المسحوق الموحد: يؤدي حجم القطرات الذي يمكن التحكم فيه إلى توزيع ضيق لحجم الجسيمات (عادةً 10-100 نانومتر)؛

◆ درجة نقاء عالية: تتفاعل القطرات في الطور الغازي، مما يؤدي إلى تجنب إدخال الشوائب كما هو الحال في المعالجة الرطبة التقليدية؛

◆ مورفولوجية يمكن التحكم فيها: عن طريق ضبط درجة حرارة التفاعل، ومعدل تدفق الغاز الحامل، وتركيز المادة الأولية، يمكن تحضير مساحيق نانوية بأشكال مختلفة مثل الجزيئات ذات الشكل الكروي والرقائقي والقضيبي-.

حالة نموذجية:

◆ تحضير مسحوق الفضة النانو-: يتم خلط محلول نترات الفضة مع عامل اختزال (مثل جلايكول الإثيلين)، ثم يتم ذره، ثم تمريره إلى مفاعل 300 درجة لتقليل وتوليد مسحوق الفضة الكروي بحجم جسيمات 20-50 نانومتر، ويستخدم في المعاجين الإلكترونية (مثل عبوات LED وأقطاب الخلايا الكهروضوئية).