34. تولید نانو ذرات به روش میکروامولسیون

Description

تولید نانو ذرات به روش میکروامولسیون

امولسیون مخلوطی از دو یا چند مایع است که در یکدیگر حل نمی‌شوند و «امتزاج‌ناپذیر» (Immiscible) هستند. «امولسیون‌ها» (Emulsions) زیرمجموعه‌ای از یک سیستم بزرگتر به نام کلوئید هستند. با وجود اینکه در برخی موارد، از واژه‌های امولسیون و کلوئید به جای یکدیگر استفاده می‌شود اما زمانی یک مخلوط را امولسیون می‌نامند که هر دو فاز «پیوسته» (Continuous) و «پخش‌شونده» (Dispersed) در حالت مایع قرار داشته باشند. در امولسیون، یک مایع (فاز پخش شونده) در داخل دیگری (فاز پیوسته) پخش می‌شود. از نمونه‌های امولسیون می‌توان به مخلوط روغن و سرکه، شیر هموژنیزه و برخی مواد مورد استفاده در برش‌کاری اشاره کرد.

ترکیب امولسیون‌ها

دو مایع می‌توانند انواع مختلفی از امولسیون‌ها را ایجاد کنند. به طور مثال آب و روغن را در نظر بگیرید. مخلوط روغن در آب یک امولسیون است که در روغن پخش‌شونده و آب، فاز پیوسته خواهد بود. در شکلی دیگر، آب می‌تواند پخش‌شونده و روغن، فاز پیوسته باشد. علاوه بر این، ترکیبی از این دو حالت نیز برای امولسیون‌ها امکان‌پذیر است.

امولسیون‌ در گذشته و حال

واژه امولسیون را همچنین به بخش حساس به نور فیلم‌های عکاسی نیز نسبت می‌دهند. این امولسیون‌های عکاسی، ذرات کلوئیدی هالیدهای نقره را شامل می‌شوند که در یک بافت (ماتریکس) ژلاتینی پخش شده‌اند. «امولسیون‌های هسته‌ای» (Nuclear Emulsions) نیز شبیه امولسیون‌های عکاسی هستند با این تفاوت که از آن‌ها در فیزیک ذرات بمنظور شناسایی ذرات بنیادی با انرژی بالا استفاده می‌شود.

خواص امولسیون

همانطور که اشاره شد، امولسیون‌ها از دو فاز پخش‌شونده و پیوسته تشکیل شده‌اند که مرزی میان این دو فاز قرار گرفته است. امولسیون‌ها به طور معمول شبیه به ابرها هستند چراکه تعدد مرز میان دو فاز، سبب پراکندگی نور عبوری از میان آن‌ها می‌شود. اگر تمامی نور عبوری به میزان یکسان پراکنده شوند، رنگ امولسیون سفید خواهد بود. اگر امولسیون به اندازه کافی رقیق باشد، فرکانس‌های بالاتر نور، بیشتر دچار پراکندگی می‌شوند امولسیون به رنگ آبی دیده خواهد شد که این خاصیت پخشی، موسوم به «اثر تیندال» (Tyndall Effect) است. اگر امولسیونی غلیظ داشته باشیم، رنگ آن تحت تاثیر طول موج‌های بلندتر قرار می‌گیرد و زرد رنگ می‌شود. این پدیده را به راحتی می‌توان با مقایسه شیرخشک و خامه مشاهده کرد چراکه درصد چربی خامه و شیر خشک با هم متفاوت است.

میکروامولسیون و نانوامولسیون

دو نوع از امولسیون با نام‌های میکروامولسیون و نانوامولسیون وجود دارند که با اندازه قطرات کمتر از ۱۰۰ نانومتر، نور را از خود عبور می‌دهند. دلیل این خاصیت آن است که نور، تنها زمانی توسط قطرات پراکنده می‌شود که اندازه آن‌ها بیش از یک‌چهارم طول موج نور تابشی باشند. از آن جایی که طیف نور مرئی،‌ طول موجی بین 390 تا 750 نانومتر دارد، اگر اندازه ذرات کمتر از 100 نانومتر باشند، نور، بدون پراکندگی می‌تواند در قطرات نفوذ کند.

امولسیون‌های معمول، به طور ذاتی ناپایدار هستند و در نتیجه به طور خود‌به‌خودی تشکیل نمی‌شوند. برای تولید امولسیون نیاز به اعمال انرژی داریم که از طریق تکان‌دادن، هم‌زدن،‌ هموژنیزه کردن یا فراصوت تامین می‌شود. با گذشت زمان، امولسیون به حالت پایدار فازهای تشکیل دهنده خود برمی‌گردد. نمونه‌ای از این حالت را می‌توان در جدا شدن مخلوط روغن و سرکه موجود در سالاد مشاهده کرد. برای حفظ حالت این امولسیون باید آن را به طور مداوم هم زد. البته میکروامولسیون‌ها و نانوامولسیون‌های شفاف، از این قانون تبعیت نمی‌کنند.

ناپایداری امولسیون

پایداری امولسیون به مقاومت آن در برابر تغییرات خواص در طول زمان اشاره دارد. ۴ نوع ناپایداری در امولسیون‌‌ها وجود دارد که عبارتند از:

• «لختگی» (Flocculation)
• «ته‌نشینی» (Sedimentation) یا «خامه‌ای شدن» (Creaming)
• «انعقاد» (Coalescence)
• «تکامل استوالد» (Ostwald Ripening)

مواد فعال در سطح (سورفکتانت‌ها) می‌توانند پایداری سینتیکی یک امولسیون را افزایش دهند که در نتیجه آن، اندازه قطرات در طول زمان تغییر نمی‌کند. همانند سوسپانسیون‌ها، پایداری امولسیون را نیز می‌توان از طریق «پتانسیل زتا» (Zeta Potential)، مورد بررسی قرار داد که دافعه میان قطرات امولسیون یا ذرات سوسپانسیون را نشان می‌دهد. اگر پخش‌شوندگی و اندازه قطرات در طول زمان تغییر نکند، امولسیون را پایدار می‌نامند. به طور مثال در برخی امولسیون‌های آب و روغن که شامل سورفکتانت بودند،‌ اندازه ذرات در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد تا 28 روز ثابت ماند.

                                                                                         

عوامل امولسیون‌کننده

یک «امولسیون‌کننده» (Emulsifier)، ماده‌ای است که با افزایش پایداری سینتیکی، موجب پایداری یک امولسیون می‌شود. مواد فعال در سطح (سورفکتانت‌ها) نیز در دسته امولسیون‌کننده‌ها قرار می‌گیرند. امولسیون‌کننده‌ها ترکیباتی هستند که به طور معمول دارای یک بخش قطبی یا «آب‌دوست» (Hydrophilic) و یک بخش ناقطبی یا «آب‌گریز» (Hydrophobic) هستند. به همین دلیل، این مواد متناسب با بخش‌های قطبی و ناقطبی، حلا‌ل‌پذیری متفاوتی در آب یا روغن دارند.

امولسیون‌کننده‌ها در غذا

برای غذاها، امولسیون‌کننده‌های متفاوتی وجود دارد که تعدادی از آن‌ها در زیر آورده شده‌اند:

• زرده تخم مرغ: حاوی لسیتین است و به علت خاصیت دوگانه دوست خود، به عنوان امولسیون‌کننده در غذاها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• دانه‌های خردل: مواد شیمیایی مختلف اطراف دانه خردل نقش امولسیون‌کننده دارند.
• فسفات‌های سدیم

صابون‌ها و دترجنت‌ها نوع دیگری از سورفکتانت‌ها هستند که در نتیجه برهم‌کنش فیزیکی میان آب و چربی‌ها، یک امولسیون پایدار ایجاد می‌کنند. از این خاصیت در صابون‌ها بمنظور پاک کردن چربی‌ها استفاه می‌شود. امولسیون‌کننده‌ها در داروسازی و ساخت کرم‌ها نیز کاربرد فراوان دارند.

                                                                         

مکانیسم‌های امولسیون‌‌سازی

فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی زیادی در «امولسیون‌سازی» (Emulsification) وجود دارند که برخی از آن‌ها عبارتند از:

• نظریه کشش سطحی: بر اساس این نظریه، بر اثر کاهش کشش سطحی بین دو فاز، امولسیون‌سازی صورت می‌گیرد.
• نظریه دافعه: عامل امولسیون‌کننده، لایه نازکی را روی یکی از فازها ایجاد می‌کند که سبب دافعه یکدیگر شوند. در نتیجه این دافعه، اجزا به صورت امولسیون در فضا باقی می‌مانند.
• بهبود ویسکوزیته: برخی عوامل امولسیون‌کننده سبب افزایش ویسکوزیته مخلوط می‌شوند که این امر خود موجب حضور فاز پخش‌شونده در محیط مخلوط خواهد بود.

کاربرد امولسیون

از امولسیون‌ها در غذاها، داروسازی، آتش‌نشانی و سنتز مواد شیمیایی استفاده‌های گسترده‌ای می‌شود.

داروسازی

از امولسیون‌ها در داروسازی، حالت‌دهنده‌های مو و لوازم آرایشی و بهداشتی استفاده می‌شود. این دسته از امولسیون‌ها را بر اساس نسبت روغن به آب طبقه‌بندی می‌کنند. همچنین از میکروامولسیون‌ها در واکسن‌ها و کشتن میکروب‌ها نیز بهره می‌گیرند.

غذاها

امولسیون‌های روغن در آب،‌ محصولات غذایی مختلفی را شامل می‌شوند:

• کف اسپرسو: امولسیون چربی قهوه در آب که یک امولسیون ناپایدار است.
• مایونز: امولسیون روغن در آب پایدار که در آن از لسیتین تخم مرغ استفاده شده است.
• شیر هموژنیزه: امولسیونی از چربی شیر در آب که پروتئین شیر به عنوان عامل امولسیون کننده در آن حضور دارد.
• کره: امولسیونی از آب در چربی حیوانی
• مارگارین: امروزه به عنوان امولسیونی از آب در روغن‌های گیاهی شناخته می‌شود.

آتش‌نشانی

عوامل امولسیون‌کننده در خاموش کردن شعله‌های کوچک حاصل از مایعات قابل اشتعال تاثیرگذارند. این مواد با محبوس کردن بخارهای قابل اشتعال و ایجاد یک امولسیون، موجب خاموش شدن آتش می‌شوند. امولسیون‌کننده‌ها برای خاموش کردن حجم زیادی از آتش مناسب نیستند چراکه مقدار امولسیون‌کننده مورد نیاز برای این کار، تابعی از حجم ماده قابل اشتعال است.

سنتز مواد شیمیایی

از امولسیون‌ها در ساخت پلیمرها استفاده می‌شود که مزایای زیادی دارد. از جمله مانع از دَلَمه‌شدن محصول می‌شوند. محصولاتی که از این روش تهیه می‌شوند را در تولید چسب‌ها و رنگ‌ها مورد استفاده قرار می‌دهند. لاتکس‌های مصنوعی نیز از همین روش به تولید می‌رسند.