• لینک مفید:سبک‌ترین ماده محافظ الکترومغناطیسی جهان
• بیشتر بدانید:استفاده از نانوپودر های مغناطیسی در فناوری 6G

استفاده از امواج صوتی برای تبدیل آهن و آب به نانوذرات مغناطیسی

آهن به‌طور طبیعی و به‌کندی، طی ماه‌ها یا سال‌ها زنگ می‌زند. اکنون پژوهشگران دانشگاه توهوکو روشی یافته‌اند که با استفاده صرف از امواج فراصوت، فرایند واکنش فلز با آب برای تشکیل اکسید را به تنها چند ساعت کاهش می‌دهد.

جزئیات این پژوهش در نشریه «اولتراسونیکس سونوکمیستری» (Ultrasonics Sonochemistry) منتشر شده است.

نانوذرات اکسید آهن از نوع اسپینل، به‌طور گسترده در مواد مغناطیسی، جاذب‌ها، کاتالیزورها، جداسازی مغناطیسی و تحقیقات زیست‌پزشکی استفاده می‌شوند. روش‌های سنتز مرسوم معمولاً با نمک‌های آهن محلول شروع می‌شوند که سپس با استفاده از مواد شیمیایی مانند آمونیاک یا هیدروکسید سدیم به ذرات تبدیل می‌شوند.

تیم دانشگاه توهوکو رویکرد متفاوتی را در پیش گرفت و نانوذرات را مستقیماً از پودر آهن و آب فعال‌شده با اولتراسوند تولید کرد.

در این مطالعه، ۱٫۰ گرم پودر آهن در آب پراکنده شد و با اولتراسوند در فرکانس‌های ۲۳ یا ۴۳ کیلوهرتز تیمار شد. دمای واکنش و زمان تیمار در آزمایش‌ها متفاوت بود. ذرات حاصل با استفاده از پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی و اندازه‌گیری‌های مغناطیسی تجزیه‌وتحلیل شدند.

تحت یک سری شرایط، ذرات به‌طور متوسط اندازه‌ای حدود ۳۲ نانومتر داشتند و مغناطش آن‌ها در حداکثر میدان اعمال‌شده، ۸۵٫۶ emu/g بود.

اثرات دما و امواج فراصوت

در فرکانس ۴۳ کیلوهرتز و طی مدت ۲۴ ساعت، میزان تبدیل تخمینی آهن به اکسید آهن از نوع اسپینل در دمای ۳۰ درجه سانتی‌گراد به ۳۶٫۱ درصد، در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد به ۶۸٫۵ درصد و در دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد به ۶۳٫۷ درصد رسید.

تغییرات اندازه ذرات در بازه دمایی ۴۰ تا ۶۰ درجه سانتی‌گراد ناچیز بود. این امر نشان می‌دهد که دما بیش از آنکه بر اندازه ذرات تشکیل‌شده تأثیر بگذارد، بر میزان اکسیداسیون اثر می‌گذارد.

پژوهشگران برای تفکیک نقش امواج فراصوت، همان مخلوط را به مدت ۷۲ ساعت در دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد، تحت هم‌زدن مکانیکی نیز آزمایش کردند.

در این حالت نیز اکسیداسیون رخ داد؛ اما اکسید حاصل عمدتاً به‌صورت ذراتی با ابعاد زیرمیکرون (ساب‌میکرون) روی سطح آهن باقی ماند. در مقابل، تحت تأثیر امواج فراصوت، ذرات بسیار کوچک‌تری از سطح جدا شدند و در آب پیرامون پراکنده شدند.

پدیده کاویتاسیون، سطح آهن را نوسازی می‌کند

این تفاوت ناشی از کاویتاسیون صوتی (آکوستیک) است؛ یعنی تشکیل و فروپاشی سریع حباب‌های ریز تحت تأثیر امواج فراصوت.

این فروپاشی می‌تواند به ایجاد ریزجت‌ها و امواج شوکی منجر شود که قادر به خرد کردن و نوسازی سطح آهن هستند. همچنین، نواحی موضعی و کوتاه‌مدتی با دما و فشار بالا و گونه‌های شیمیایی واکنش‌پذیر پدید می‌آیند.

تصور می‌شود که این اثرات در کنار یکدیگر، واکنشی را میان آهن جامد و آب پیش می‌برند که در حالت عادی روندی کند دارد. مسیر دقیق این واکنش هنوز تأیید نشده و همچنان موضوعی برای تحقیقات بیشتر است.

یاماتو هایاشی، دانشیار دانشکده تحصیلات تکمیلی مهندسی که در هدایت این پژوهش نقش داشته است، می‌گوید:

«یافته اصلی در اینجا صرفاً یک روش سنتز بدون نیاز به واکنش‌گر (معرف) نیست.»

او ادامه می‌دهد:

«آنچه ما نشان می‌دهیم، یک تبدیل مستقیم جامد به مایع از فلز به اکسید است؛ امواج فراصوت سطح مشترک میان آهن فلزی و آب را فعال می‌کنند و ذرات اکسید در مقیاس نانو، مستقیماً در همان مرز تشکیل می‌شوند.»

مقیاس‌بندی فرایند بدون معرف

این فرایند به هیچ نمک آهن محلول، هیچ عامل رسوب‌دهنده و هیچ ماده شیمیایی برای تنظیم pH نیاز ندارد. در این مطالعه، از هیچ مرحله شست‌وشویی استفاده نشده است.

با نگاهی به آینده، این رویکرد ممکن است مسیری برای تبدیل پودرهای آهن ریز یا قراضه آهن به مواد اکسیدی با ارزش بالاتر ارائه دهد و به‌طور بالقوه به سایر سامانه‌های اکسید فلزی نیز گسترش یابد؛ اگرچه این کاربردها هنوز مشخص نشده‌اند.

کارهای آینده بر روشن کردن مکانیسم واکنش، از جمله اندازه‌گیری Fe²⁺ و Fe³⁺ محلول، رادیکال‌های هیدروکسیل و پراکسید هیدروژن در طول واکنش، تمرکز خواهند کرد.

محققان همچنین قصد دارند بازیابی ذرات، موازنه جرم، سرعت واکنش و مصرف انرژی به‌ازای هر واحد محصول را کمی‌سازی کنند. بهینه‌سازی طراحی راکتور، چگالی توان صوتی و پیکربندی مبدل نیز از دیگر اهداف آن‌هاست. پژوهشگران امیدوارند این اقدامات، تولید در مقیاس بزرگ‌تر را امکان‌پذیر سازند.

 

تاریخ 1405/7/19

مهسا نعمتی